ZYNQ MPSOC之PL与PS数据交互DMA方式

1 摘要

XILINX ZYNQ 以及 ZYNQ MPSOC主要优势在于异构 ARM+FPGA。其中非常关键的一点使用了 AXI 总线进行高速互联。而且这个 AXI 总线是开放给我们用户使用的。在前面的文章中我们详解了使用了AXI-HP方式PL到PS端进行数据交互。本文主要涉及到DMA访问方式，实现PL端到PS端数据互访，并测试在当前数据总线位宽和PL端频率下DMA方式的带宽速度。

2 DMA（Direct Memory Access）接口

DMA 是一种高效的数据传输技术，广泛应用于需要大量数据传输的计算机系统中。通过允许外设直接访问内存，DMA 可以显著提高系统的性能和资源利用率。
(1)DMA 的工作原理
请求 DMA 传输：外部设备（如硬盘、网络适配器或其他外设）通过控制器发出 DMA 请求，表明它需要进行数据传输。
•DMA 控制器响应：系统的 DMA 控制器接收到请求后，向 CPU 发送信号，通知它暂时停止处理任务，允许 DMA 控制器接管总线。
•设置传输参数：DMA 控制器配置数据传输的源地址、目的地址和数据传输的大小。
•数据传输：DMA 控制器直接从源地址读取数据并写入到目的地址。此过程不需要 CPU 的参与，从而提高了效率。
•完成传输：当数据传输完成后，DMA 控制器向 CPU 发送中断信号，通知其传输已完成，CPU 可以继续执行其他任务。
在这里插入图片描述
可以看到 DMA 的数据传输经 S_AXI_HP 接口。ZYNQ MPSOC 拥有 4 个S-AXI HP 接口，提供了 ZYNQ 内最大的总带宽。每一个 HP 接口都包含控制和数据 FIFO。这些 FIFO 为大数据量突发传输提供缓冲，让 HP 接口成为理想的高速数据传输接口。
在这里插入图片描述

(2)DMA 的类型
•Burst Mode DMA：在这种模式下，DMA 控制器在传输数据时占用总线，直到传输完成。此模式适合于大块数据传输。
•Cycle Stealing DMA：DMA 控制器在每个数据传输周期中占用总线的一部分时间，允许 CPU 和 DMA 控制器交替访问总线。此模式适合于小块数据传输。
•Transparent DMA：DMA 控制器在 CPU 不使用总线时进行数据传输，从而不会影响 CPU 的操作。
•Demand Mode DMA：DMA 控制器在设备请求时才进行数据传输，适合于不定时的数据传输需求。

(3)DMA 的应用场景
•音频和视频处理：在音频和视频流的传输中，DMA 可以实现高效的数据传输，减少延迟。
•网络数据传输：网络适配器通常使用 DMA 将数据包直接传输到内存中，提高网络通信性能。
•大数据量的存储操作：在硬盘和内存之间进行大规模数据传输时，DMA 可以显著提高传输效率。

3 DMA FPGA设计

3.1 block design设计

采用FPGA block design 设计MPSOC DMA接口，顶层通过axis-data-fifo控制写数据操作，SOC端通过DMA中断将DMA通道接收的数据缓存至DDR中，完成PL端到PS端DDR的读写访问。
在这里插入图片描述
在位宽为32bit,PL端频率为150MHz测试DMA速率如下,可以适当提高PL端时钟频率以提高传输速度

3.2 顶层模块

`timescale 1 ps / 1 ps
module system_wrapper();reg [31:0]S_AXIS_tdata;wire S_AXIS_tlast;wire S_AXIS_tvalid = 1'b1; wire pl_clk0;wire s_axis_aclk;wire s_axis_aresetn;wire [3:0]S_AXIS_tkeep;wire S_AXIS_tready;wire [0:0]gpio_rtl_tri_o;wire [0:0]peripheral_aresetn;assign S_AXIS_tkeep = 4'b1111;  
assign s_axis_aclk =  pl_clk0;
assign s_axis_aresetn = peripheral_aresetn&&gpio_rtl_tri_o;always@(posedge pl_clk0)beginif(s_axis_aresetn == 1'b0)beginS_AXIS_tdata <= 0;endelse beginif(S_AXIS_tready&&S_AXIS_tdata<511)S_AXIS_tdata <= S_AXIS_tdata + 1'b1; else if(S_AXIS_tready)S_AXIS_tdata <= 0;  endendassign  S_AXIS_tlast = (S_AXIS_tdata == 511)&&S_AXIS_tready&&S_AXIS_tvalid;system system_i(.S_AXIS_tdata(S_AXIS_tdata),.S_AXIS_tkeep(S_AXIS_tkeep),.S_AXIS_tlast(S_AXIS_tlast),.S_AXIS_tready(S_AXIS_tready),.S_AXIS_tvalid(S_AXIS_tvalid),.gpio_rtl_tri_o(gpio_rtl_tri_o),.peripheral_aresetn(peripheral_aresetn),.pl_clk0(pl_clk0),.s_axis_aclk(s_axis_aclk),.s_axis_aresetn(s_axis_aresetn));
endmodule

4 SOC设计

4.1 硬件导出

在工程中导出硬件平台及bit文件
在这里插入图片描述
生成VITIS工程
)

4.2 PSU_A53控制代码

#include "dma_intr.h"
#include "ttc_intr.h"
#include "sys_intr.h"
#include "xgpio.h"
volatile u32 RX_success;
volatile u32 TX_success;volatile u32 RX_ready=1;
volatile u32 TX_ready=1;
int Tries = NUMBER_OF_TRANSFERS;
int i;
int Index;
u8 *TxBufferPtr= (u8 *)TX_BUFFER_BASE;
u8 *RxBufferPtr= (u8 *)RX_BUFFER_BASE;
u8 Value=0;
float speed_tx;
float speed_rx;
static XGpio Gpio;
XAxiDma AxiDma;
XScuGic Intc; //GIC
#define AXI_GPIO_DEV_ID	        XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_IDint axi_dma_test()
{int Status;char speed_r[100];TxDone = 0;RxDone = 0;Error = 0;xil_printf( "----DMA Test----\r\n");XTtcPs_Start(&