FPGA - 基于自定义AXI FULL总线的PS和PL交互

前言

在FPGA - ZYNQ 基于Axi_Lite的PS和PL交互中，介绍了基于基于AXi_Lite的PL和PS交互，接下来构建基于基于Axi_Lite的PS和PL交互。

AXI_GP、AXI_HP和AXI_ACP接口

首先看一下ZYNQ SoC的系统框图，如下图所示。在图中，箭头方向代表主机到从机的方向。

在上图中红色框线中，就是PS和PL之间的交互，将上图简化如下：

可以看到主要有3中接口：AXI_GP、AXI_HP和AXI_ACP接口

GP：General Purpose Port（通用端口），位宽为32 位，适合PS和PL之间中低速通信，有四个接口（两个从端口，两个主端口）；

HP：High Performace Port(高性能端口)，位宽为 32 位或者 64 位。适合 PS 和PL之间高速通信，有四个接口（四个都是从端口）；

ACP：Accelerator Coherency Port(加速器一致)，位宽为 64 位。适合 PS和PL 之间高速通信。

GP接口直接连接到的是中央互联区（central interconnect），然后由中央互联区再连接到OCM interconnect和存储器接口上；而HP接口直接连接到的是OCM interconnect和存储器接口。所以对于GP接口，通常使用他进行控制配置；而对于HP接口，通常使用它进行数据传输交互。

AXI_HP接口

4个AXI HP接口为PL的主机提供了DDR和OCM存储器的高带宽的数据路径。每个HP接口包括两个的FIFO缓存，用于读写传输。PL到内存互连高速AXI HP端口路由连接到两个DDR内存端口和一个OCM存储器端口。AXI HP接口也被称为AFI (AXI FIFO接口)，以强调它们的缓冲功能。 PL电平移位器必须通过LVL SHFTR EN启用后，才能进行PL逻辑通信。

特点
这些接口被设计为在PL主存储器和PS存储器(包括DDR和片上RAM)之间提供一个高吞吐量的数据路径。主要功能包括:

可以实现32或64位数据位宽的主接口(每个端口独立编程)。
在32位接口模式下，可以进行动态配置位为64位，以实现对齐传输，通过AxCACHE [1]可以进行控制。
在32位接口模式下，为未对齐的32位传输自动扩展到64位。
可编程的写命令释放阈值。
PL和PS之间的所有AXI接口的异步时钟域交叉。
使用1kb (128 × 64位)数据缓存FIFO来平滑“长延迟”传输，用于读写。
从PL端口提供QoS信令。
命令和数据FIFO填充级计数可用于PL端。
支持标准AXI 3.0接口。
可编程命令下发到互连，分别用于读和写命令。
14到70个指令范围的高性能从接口读接受能力。(取决于突发长度)
8到32个指令范围的高性能从接口写接受能力。(取决于突发长度)

AXI_GP接口

AXI_GP接口直接连接到主互连和从互连的端口，没有任何额外的FIFO缓冲，不像AXI_HP接口使用FIFO缓冲以提高性能和吞吐量。因此，性能受到主互连端口和从互连端口的限制。这些接口仅用于通用用途，并不是为了实现高性能。

特点
AXI GP的特性包括:

支持标准AXI协议
数据总线宽度只有32位
主端口ID位宽为12位
主端口发送能力:8位读，8位写
从端口ID位宽为6位
从端口接受能力:8位读，8位写

AXI_GP、AXI_HP和AXI_ACP接口的主与从

注意：AXI_ACP和AXI_HP接口，PL只能是主机，PS只能是从机！！

接口介绍

AXI_HP

采用AXI_HP接口，PL为主机，PS为从机

PL 发送给PS的数据，通过AXI_HP接口后，进入DDR3控制器，然后写入到DDR3里面。

反过来，PL也可以通过AXI_HP接口读取DDR3里面的数据。

将上图简化：

PS 也可以向DDR3 写入或者读取数据，DDR3 相对于PS 而言就是一个外设。

PS 首先将数据写入到Cache，Cache里面的数据再写入到DDR3 contorller，最后到DDR3。反过来，PS也可以从DDR3里面读取数据。

PL将数据通过AXI_HP接口写入到DDR3，PS再将数据从DDR3里面读出来，这样就实现了PL与PS的数据交互。

AXI_GP

采用AXI_GP接口，PL为从机，PS为主机

如果PS端采用AXI_GP接口，且PS端为主机，PL为从机，那么PL的接口模块相对于PS来说，就是一个外设。（下面的图片加强理解）

既然是外设，那么就会有对应的地址和寄存器。

其中0x4300_0000 为起始地址，又称之为基地址；0x4300_FFFF为结束地址。

其中，基地址和结束地址的值，是由PL端分配的，也就是在PL端可以使用VIVADO软件更改。

第二个地址为0x4300_0004，相比于0x4300_0000 偏移量为4。所以4就是偏移地址。

可以通过 “基地址 + 偏移地址”表示任意的地址。比如基地址为 0x4300_0000，偏移地址为8，表示的地址为0x4300_0008。

PS 如何通过AXI_GP接口写入数据到PL ？
PS 先将数据写入到寄存器里面，然后写入到PL。
PS 如何通过AXI_GP接口从PL端读取数据？
PL 端的数据先通过AXI_GP接口发送PS的寄存器里面，PS从寄存器里面读取数据。

如下图：

AXI_HP、AXI_GP、AXI_ACP理论带宽

下表介绍了 PS- PL和PS内存接口的理论带宽

注意：Gb/s和GB/s是不一样的，B代表字节，b代表比特。

Gb/s：每秒传输多少个比特
GB/s：每秒传输多少个字节
GB/s = 8 * Gb/s

开发流程

在ZYNQ开发中，FPGA - ZYNQ 基于EMIO的PS和PL交互https://blog.csdn.net/weixin_46897065/article/details/137865852?spm=1001.2014.3001.5501

和 FPGA - ZYNQ 基于Axi_Lite的PS和PL交互https://blog.csdn.net/weixin_46897065/article/details/137937509?spm=1001.2014.3001.5501

中详细介绍了开发流程。

在Creat Block Design 中：搜索ZYNQ以及axi_interconnect 并进行配置

然后进行自动连线,连线完成后如下图：

这里AXI_HP的从机搭建完成。、

然后建立top文件，设计AXI4_FULL主机模块。

代码如下：


`timescale 1ns / 1ps
module top(inout     	[14:0]		DDR_addr			,inout     	[2:0]		DDR_ba				,inout     				DDR_cas_n			,inout     				DDR_ck_n			,inout     				DDR_ck_p			,inout     				DDR_cke				,inout     				DDR_cs_n 			,inout     	[3:0]		DDR_dm 				,inout     	[31:0]		DDR_dq 				,inout     	[3:0]		DDR_dqs_n 			,inout     	[3:0]		DDR_dqs_p 			,inout     				DDR_odt 			,inout     				DDR_ras_n 			,inout     				DDR_reset_n 		,inout     				DDR_we_n  			,inout     				FIXED_IO_ddr_vrn 	,inout     				FIXED_IO_ddr_vrp	,inout     	[53:0]		FIXED_IO_mio 		,inout     				FIXED_IO_ps_clk		,inout     				FIXED_IO_ps_porb 	,inout     				FIXED_IO_ps_srstb  	);parameter     AXI_DATA_WIDTH = 64;parameter     AXI_ADDR_WIDTH = 32;parameter USER_WR_DATA_WIDTH = 16;parameter USER_RD_DATA_WIDTH = 16;wire PstoPl_clk150m;wire PstoPl_resetn;wire                         user_rd_clk;wire                         user_wr_clk;wire                         axi_clk;wire                         reset;wire                         ddr_init_done;wire                         user_wr_en;wire[USER_WR_DATA_WIDTH-1:0] user_wr_data;wire    [AXI_ADDR_WIDTH-1:0] user_wr_base_addr;wire    [AXI_ADDR_WIDTH-1:0] user_wr_end_addr;wire                         user_rd_req;wire    [AXI_ADDR_WIDTH-1:0] user_rd_base_addr;wire    [AXI_ADDR_WIDTH-1:0] user_rd_end_addr;wire                         user_rd_req_busy;wire                         user_rd_valid;wire                         user_rd_last;wire[USER_RD_DATA_WIDTH-1:0] user_rd_data;wire                         m_axi_awvalid;wire                         m_axi_awready;wire    [AXI_ADDR_WIDTH-1:0] m_axi_awaddr;wire                   [3:0] m_axi_awid;wire                   [7:0] m_axi_awlen;wire                   [1:0] m_axi_awburst;wire                   [2:0] m_axi_awsize;wire                   [2:0] m_axi_awport;wire                   [3:0] m_axi_awqos;wire                         m_axi_awlock;wire                   [3:0] m_axi_awcache;wire   [AXI_DATA_WIDTH-1 :0] m_axi_wdata;wire  [AXI_DATA_WIDTH/8-1:0] m_axi_wstrb;wire                         m_axi_wvalid;wire                         m_axi_wlast;wire                         m_axi_wready;wire                  [ 3:0] m_axi_bid;wire                  [ 1:0] m_axi_bresp;wire                         m_axi_bvalid;wire                         m_axi_bready;wire                         m_axi_arvalid;wire                         m_axi_arready;wire    [AXI_ADDR_WIDTH-1:0] m_axi_araddr;wire                   [3:0] m_axi_arid;wire                   [7:0] m_axi_arlen;wire                   [1:0] m_axi_arburst;wire                   [2:0] m_axi_arsize;wire                   [2:0] m_axi_arport;wire                   [3:0] m_axi_arqos;wire                         m_axi_arlock;wire                   [3:0] m_axi_arcache;wire                   [3:0] m_axi_rid;wire                         m_axi_rvalid;wire                         m_axi_rready;wire    [AXI_DATA_WIDTH-1:0] m_axi_rdata;wire                   [1:0] m_axi_rresp;wire                         m_axi_rlast;user_req_generate #(.USER_WR_DATA_WIDTH(USER_WR_DATA_WIDTH)) user_req_generate (.wr_clk       (PstoPl_clk150m),.rd_clk       (PstoPl_clk150m),.reset        (~PstoPl_resetn),.user_wr_en   (user_wr_en),.user_wr_data (user_wr_data),.user_rd_req  (user_rd_req));axi4_adma_v1 #(.AXI_DATA_WIDTH(AXI_DATA_WIDTH),.AXI_ADDR_WIDTH(AXI_ADDR_WIDTH),.USER_RD_DATA_WIDTH(USER_RD_DATA_WIDTH),.USER_WR_DATA_WIDTH(USER_WR_DATA_WIDTH)) axi_adma_v1 (.user_wr_clk       (PstoPl_clk150m),.user_rd_clk       (PstoPl_clk150m),.axi_clk           (PstoPl_clk150m),.reset             (~PstoPl_resetn),.ddr_init_done     (1'b1),.user_wr_en        (user_wr_en),.user_wr_data      (user_wr_data),.user_wr_base_addr (32'h0020_0000), //猫碌路氓搂鈥姑ヅ撀懊ヂ濃偓盲赂聧猫茠陆盲禄?0氓录?氓搂?.user_wr_end_addr  (32'h1000_0000),.user_rd_req       (user_rd_req),.user_rd_base_addr (32'h0020_0000),.user_rd_end_addr  (32'h1000_0000),.user_rd_req_busy  (user_rd_req_busy),.user_rd_valid     (user_rd_valid),.user_rd_last      (user_rd_last),.user_rd_data      (user_rd_data),.m_axi_awvalid     (m_axi_awvalid),.m_axi_awready     (m_axi_awready),.m_axi_awaddr      (m_axi_awaddr),.m_axi_awid        (m_axi_awid),.m_axi_awlen       (m_axi_awlen),.m_axi_awburst     (m_axi_awburst),.m_axi_awsize      (m_axi_awsize),.m_axi_awport      (m_axi_awport),.m_axi_awqos       (m_axi_awqos),.m_axi_awlock      (m_axi_awlock),.m_axi_awcache     (m_axi_awcache),.m_axi_wvalid      (m_axi_wvalid),.m_axi_wready      (m_axi_wready),.m_axi_wdata       (m_axi_wdata),.m_axi_wstrb       (m_axi_wstrb),.m_axi_wlast       (m_axi_wlast),.m_axi_bid         (m_axi_bid),.m_axi_bresp       (m_axi_bresp),.m_axi_bvalid      (m_axi_bvalid),.m_axi_bready      (m_axi_bready),.m_axi_arvalid     (m_axi_arvalid),.m_axi_arready     (m_axi_arready),.m_axi_araddr      (m_axi_araddr),.m_axi_arid        (m_axi_arid),.m_axi_arlen       (m_axi_arlen),.m_axi_arburst     (m_axi_arburst),.m_axi_arsize      (m_axi_arsize),.m_axi_arport      (m_axi_arport),.m_axi_arqos       (m_axi_arqos),.m_axi_arlock      (m_axi_arlock),.m_axi_arcache     (m_axi_arcache),.m_axi_rid         (m_axi_rid),.m_axi_rvalid      (m_axi_rvalid),.m_axi_rready      (m_axi_rready),.m_axi_rdata       (m_axi_rdata),.m_axi_rlast       (m_axi_rlast),.m_axi_rresp       (m_axi_rresp));mcu_design_wrapper mcu_design_wrapper(.DDR_addr          (DDR_addr),.DDR_ba            (DDR_ba),.DDR_cas_n         (DDR_cas_n),.DDR_ck_n          (DDR_ck_n),.DDR_ck_p          (DDR_ck_p),.DDR_cke           (DDR_cke),.DDR_cs_n          (DDR_cs_n),.DDR_dm            (DDR_dm),.DDR_dq            (DDR_dq),.DDR_dqs_n         (DDR_dqs_n),.DDR_dqs_p         (DDR_dqs_p),.DDR_odt           (DDR_odt),.DDR_ras_n         (DDR_ras_n),.DDR_reset_n       (DDR_reset_n),.DDR_we_n          (DDR_we_n),.FIXED_IO_ddr_vrn  (FIXED_IO_ddr_vrn),.FIXED_IO_ddr_vrp  (FIXED_IO_ddr_vrp),.FIXED_IO_mio      (FIXED_IO_mio),.FIXED_IO_ps_clk   (FIXED_IO_ps_clk),.FIXED_IO_ps_porb  (FIXED_IO_ps_porb),.FIXED_IO_ps_srstb (FIXED_IO_ps_srstb),.PStoPL_resetn     (PstoPl_resetn),.PStoPL_clk150m    (PstoPl_clk150m),.S00_AXI_0_araddr  (m_axi_araddr),.S00_AXI_0_arburst (m_axi_arburst),.S00_AXI_0_arcache (m_axi_arcache),.S00_AXI_0_arid    (0),.S00_AXI_0_arlen   (m_axi_arlen),.S00_AXI_0_arlock  (0),.S00_AXI_0_arprot  (m_axi_arport),.S00_AXI_0_arqos   (m_axi_arqos),.S00_AXI_0_arready (m_axi_arready),.S00_AXI_0_arsize  (m_axi_arsize),.S00_AXI_0_arvalid (m_axi_arvalid),.S00_AXI_0_awaddr  (m_axi_awaddr),.S00_AXI_0_awburst (m_axi_awburst),.S00_AXI_0_awcache (m_axi_awcache),.S00_AXI_0_awid    (0),.S00_AXI_0_awlen   (m_axi_awlen),.S00_AXI_0_awlock  (0),.S00_AXI_0_awprot  (m_axi_awport),.S00_AXI_0_awqos   (m_axi_awqos),.S00_AXI_0_awready (m_axi_awready),.S00_AXI_0_awsize  (m_axi_awsize),.S00_AXI_0_awvalid (m_axi_awvalid),.S00_AXI_0_bid     (),.S00_AXI_0_bready  (m_axi_bready),.S00_AXI_0_bresp   (m_axi_bresp),.S00_AXI_0_bvalid  (m_axi_bvalid),.S00_AXI_0_rdata   (m_axi_rdata),.S00_AXI_0_rid     (),.S00_AXI_0_rlast   (m_axi_rlast),.S00_AXI_0_rready  (m_axi_rready),.S00_AXI_0_rresp   (m_axi_rresp),.S00_AXI_0_rvalid  (m_axi_rvalid),.S00_AXI_0_wdata   (m_axi_wdata),.S00_AXI_0_wid     (0),.S00_AXI_0_wlast   (m_axi_wlast),.S00_AXI_0_wready  (m_axi_wready),.S00_AXI_0_wstrb   (m_axi_wstrb),.S00_AXI_0_wvalid  (m_axi_wvalid));endmodule

然后生成bitstream，导出硬件，启动SDK

建立新工程

点击空工程点击finish

接下来返回main.c，向其中添加以下代码：

一直处于接收发送状态。

#include <stdio.h>
#include "xil_printf.h"int main()
{while(1){};return 0;
}

最后，下载验证。

总结

在这里，实现了基于Axi_full的PS和PL交互，详细介绍了AXI_GP、AXI_HP和AXI_ACP接口。