怎么使用DMA在FPGA中的HDL和嵌入式C之間傳輸數據？

該項目介紹了如何在 PL 中的 HDL 與 FPGA 中的處理器上運行的嵌入式 C 之間傳輸數據的基本結構。

介紹

鑒于機器學習和人工智能等應用的 FPGA 設計中硬件加速的興起，現在是剝開幾層“云霧”并討論 HDL 之間來回傳遞數據（主要指FPGA 的可編程邏輯 (PL) 中運行的代碼以及 FPGA 中的硬核或軟核處理器上運行的相應軟件之間傳輸數據）的基礎知識的好時機。

硬件加速可以總結為在硬件（也稱為 FPGA 的可編程邏輯）中實現某些功能的基本思想，這些功能之前在位于主機 PC 上或在 FPGA 上處理器（軟核或者硬核）運行的軟件。因此，要成為一名高效的設計人員，就必須掌握如何在硬件和軟件之間來回傳遞數據的技巧。

在本例中，使用的是 Zynq SoC（片上系統(tǒng)）FPGA，它具有硬核 ARM 處理器。該 ARM 核心和外設稱為處理系統(tǒng)或 PS。

雖然有幾種不同的方法可以完成 PL 和 PS 之間的數據傳輸，包括編寫自己的自定義接口，但我認為最常見的機制是通過直接內存訪問 (DMA) 傳輸。這是因為 DMA 允許 ARM 內核的 CPU 簡單地啟動自身與 DDR 之間的數據傳輸，而 CPU 無需等待傳輸完成后再執(zhí)行任何其他任務。DMA 還允許 CPU 啟動外部設備和 DDR 之間的傳輸。

在此項目中，將通過使用 Xilinx DMA IP 演示 DMA 的功能，該IP可通過 AXIS 總線將內存映射接口轉換為stream接口。將 32 字節(jié)寫入嵌入式 C 中的內存，然后通過內存映射將其傳輸到 PL 到流 (MM2S) AXIS，通過寄存器處理每個值，然后通過流將數據傳輸回內存DMA IP 的內存映射 (S2MM) 端口。

雖然這個示例對于重型硬件加速應用來說過于簡單，但當剛接觸 FPGA 時，這種高速數據傳輸水平可能會變得非常復雜/難以學習。該項目重點介紹 DMA 的使用及其行為。雖然打算讓這個項目更多地關注數據處理方面，但在 DMA 事務實現中發(fā)現了很多小“陷阱”，因此不得不將數據處理重點留給另一個項目。

使用 AXI DMA 控制 PL 中的 HDL 與 PS 中的 C 代碼之間的數據傳輸有兩個主要層：

Memory Map to Stream (MM2S) 和 Stream to Memory Map (S2MM) 通道上 PL 的 HDL 代碼中的 AXI 流握手信號（DMA 的控制通道是使用普通 AXI 寫入的，但這就是全部由 Vivado 自動處理，因此在這里只關注 AXI stream接口）。

PS 的 C 代碼中寄存器讀/寫 DMA 的順序。

Verilog 中的 AXI-Stream握手

AXI stream接口使用一組簡單的握手信號機制，用于嵌入式設計中的數據交換。AXI stream接口中有許多可選信號，但與 DMA MM2S 和 S2MM 數據交換相關且必需的信號是 tdata、tvalid、tready、tlast 和 tkeep。AXI stream中發(fā)送數據為主接口，接收數據為從接口。

tdata：數據總線

tvalid：當放置在 tdata 總線上的數據有效時，由主接口置位

tredy：當從機處于準備接收 tdata 總線上的數據的狀態(tài)時，由從機置位

tlast：由主設備在 tdata 總線上流中最后一個數據包的持續(xù)時間內斷言，以告訴從設備該數據包之后不會有數據

tkeep：由主設備設置的 tdata 總線上數據包的二次驗證，指示數據包是否是流的一部分

AXI DMA IP 究竟如何實現此握手接口將數據傳輸出內存 (MM2S) 并傳輸到內存 (S2MM)，這一點非常變化無常，尤其是在 S2MM 方面……

然而，我們首先需要了解的是有關 AXI DMA 的 S2MM 事務的信息，大部分可以總結為一句話：必須設置 S2MM 事務，并且在嘗試向 DMA 發(fā)送任何數據之前，以適當的順序寫入 DMA 中的適當控制寄存器來啟動事務，一旦 S2MM 通道看到 tlast 信號，它就會停止事務。

數據傳輸發(fā)生在每個時鐘周期的 S2MM 和 MM2S 事務中的 tdata 總線上，其中tready 和 tvalid 均被置位（true）。因此，當負責斷言 tvalid 時，在 AXI 接口的主端必須小心，當從從機傳入的 trety 信號也為 tvalid 斷言時，不要讓 tvalid 斷言超過一個時鐘周期。否則，從設備將在同一個數據包計時兩次，作為兩個單獨的數據包。并且因為必須在控制寄存器中指定傳輸中有多少字節(jié)，所以 DMA 通道（在本例中為 S2MM）會在看到提供 tlast 信號之前認為交換已結束，因為計數已關閉。

我用 Verilog 編寫了一個簡單的狀態(tài)機，它實現了一個從 AXI stream接口來從 DMA 的 MM2S 通道接收數據，通過寄存器傳遞stream中的每個數據包，然后實現一個主 AXI strean接口來將數據流發(fā)回到S2MM通道。來自 tdata 總線的數據通過的寄存器旨在充當占位符，用于為硬件加速進行任何自定義數據處理。

從 Vivado 中的 ILA 中截取了一張屏幕截圖，顯示使用狀態(tài)機實現的時序圖。頂部是 MM2S 側，底部是 S2MM 側。

這是 Verilog 狀態(tài)機的流程圖，實際文件附在本文末尾。值得注意的是，流程圖中的主/從接口是從 Verilog 狀態(tài)機的角度來看的。

對于 DMA IP 的具體設置，因為在直接寄存器模式下使用 DMA，所以未選中分散收集選項。然后，將其他所有設置保留為默認設置，并選中允許未對齊傳輸的選項，我發(fā)現在將自定義 AXI 流接口寫入 DMA 時，這給了更多的自由空間。

為了將 Verilog 狀態(tài)機添加到模塊設計中，我右鍵單擊模塊設計的空白區(qū)域，然后選擇“添加模塊...”選項，該選項將顯示 Vivado 可以在設計源中找到的所有有效 Verilog 模塊在BD中使用的文件。

值得注意的是，信號命名約定分別遵循從接口和主接口的“s_axis”和“m_axis”標準。

DMA 寄存器讀/寫控制序列

以下是裸機使用 DMA 時更簡單的順序：

1.通過將 1 寫入 MM2S（偏移量 0x00）和 S2MM（偏移量 0x30）控制寄存器的位 2 來復位 DMA。

2.將 S2MM 通道要寫入數據的 DDR 中位置的目標地址寫入 S2MM DMA 目標地址寄存器（偏移量 0x48）。

3.通過將 1 寫入 S2MM 控制寄存器（偏移量 0x30）的位 0 來啟動 DMA S2MM 通道。

4.通過將 S2MM 通道上要讀入內存的總字節(jié)數值寫入 S2MM 緩沖區(qū)長度寄存器（偏移量 0x58），寫入 S2MM 通道緩沖區(qū)的長度。這將啟動 S2MM 傳輸，以便 DMA 準備好從 FPGA 邏輯中的設備接收數據流（直到實際饋送數據并且 AXI 流總線上的 tvalid 由 FPGA 邏輯中的設備斷言后，該過程才會真正啟動）邏輯）。

5.將 MM2S 通道要讀取的數據的 DDR 中的源地址寫入 MM2S DMA 源地址寄存器（偏移量 0x18）。

6.通過將 1 寫入 MM2S 控制寄存器的位 0（偏移量 0x00）來啟動 DMA MM2S 通道。

7.通過將要發(fā)送的總字節(jié)數值寫入 MM2S 傳輸長度寄存器（偏移量 0x28），寫入 MM2S 通道的傳輸長度。這將啟動從 DMA 到 FPGA 邏輯中的接收設備的 MM2S 傳輸。

還記得之前提到過，在 PL 中的設備嘗試向 S2MM 通道發(fā)送數據之前，必須啟動并運行 S2MM 通道嗎？嗯，這就是為什么要按順序執(zhí)行上述步驟。步驟 2 - 4 配置并啟動 S2MM 通道，步驟 5 - 7 配置并啟動 MM2S 通道。

在步驟 4 和 5 之間發(fā)生一些其他進程是可以的，但步驟 2 - 4 必須在步驟 5 - 7 之前發(fā)生。執(zhí)行步驟 4 后，S2MM AXI 流通道將斷言其 Tready 信號，此時 HDL 代碼可以開始向其發(fā)送數據。

這也解釋了當我第一次開始使用 DMA 時，在 SDK/Vitis 中的示例 DMA 項目中注意到的一些事情?？偸钦J為示例代碼似乎是在使用 MM2S - XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE 傳輸從 DDR 中寫入任何內容之前嘗試將數據拉入 DDR（通過首先執(zhí)行 S2MM - XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA 傳輸）。然而，S2MM 通道必須準備好并等待接收數據才能正常工作并且不會鎖定。

在 FPGA 設計中，DMA 似乎是一種棘手的入門方法，但一旦你弄清楚它就會非常有幫助。

審核編輯：劉清