ZYNQ的ARM和FPGA数据交互——AXI交互最重要的细节

在Xinlinx的ZYNQ中，拥有ARM+FPGA这种架构，每款产品均带有双精度浮点的双核ARMCortex-A9MPCore处理系统，ARM(PS端)具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面，里面整合了很多现成的硬件资源供编程调用。FPGA(PL端)灵活性强，拥有更大的并行度和计算能力，内部逻辑可以根据需求而改变。二者相互结合，不仅可以节约开发时间，还能实现更复杂的系统。Xinlinx的PL和PS之间数据传输通过AXI总线连接，因此实现PL-PS协同通信，需要了解AXI。

1.AXI简要介绍

AXI全称(Advanced eXtensible Interface)，主要描述了主设备和从设备之间的数据传输方式。适合高带宽低延时设计，无需复杂的桥就能实现高频操作，能满足大部分器件的接口要求，提供互联架构的灵活性与独立性。

(1)AXI总线

总线是一组传输通道，是各种逻辑器件构成的传输数据的通道，一般由数据线、地址线、控制线等构成。在ZYNQ中支持三种AXI总线。

       ●AXI4: 主要面向高性能地址映射通信的需求，允许最大256轮的数据突发传输。         

       ●AXI4-Lite: 是一个轻量级的，适用于吞吐量较小的地址映射通信总线，占用较少的逻辑资源。

       ●AXI4_Stream:面向高速流数据传输，去掉了地址项，允许无限制的数据突发传输规模。

三种总线的组成如下所示，其中AXI与AXI_Lite有相同的组成部分：

(2)AXI接口

接口是一种连接标准，又常常被称之为物理接口。这里有三种接口分别为AXI_GP(4个)、AXI_HP(4个)、AXI_ACP(1个)，ZYNQ主要的连接如下：

①I/0 :PS端的外设，包括SPI,I2C,UART,USB,ENET等接口。

       ②Mem :flash存储接口，包括SRAM,NAND,SPI这三种。

       ③EMIO :由于MIO管脚有限，PS端可以通过EMIO访问PL端引脚。

       ④GP :通用AXI接口，用来实现一般主从互联、数据交互，不用于高性能。

       ⑤HP :是高性能/带宽的标准接口，主要用于PL访问PS上的存储器。

       ⑥ACP : PL端可以直接从PS的Cache中拿到CPU计算的结果，延时低

       ⑦DMA :DMA控制接口，用于控制高速数据传输的通道。

  (3)AXI协议

AXI所采用的是一种READY，VALID握手通信机制，简单来说主从双方进行数据通信前，有一个握手的过程。传输源产生VLAID信号来指明何时数据或控制信息有效。而目地源产生READY信号来指明已经准备好接受数据或控制信息。传输发生在VALID和READY信号同时为高的时候。如下图所示：

AXI的读写状态跳转就是基于几个传输通路的VALID和READY信号握手跳转的过程。

其中写操作的信号依赖关系如下：

①在写状态，master将AWVALID拉高。

②slave收到AWVALID后，将AWREADY拉高，持续到写完，master收到AWREADY拉高的信号后，将AWVALID拉低。

③AWADDR在AWVALID为高时给定对应地址。

④slave收到WVALID信号为高时，把WREADY信号拉高，保持一个周期，写入数据。

⑤BRESP和BVALID都由slave控制，当收到写的数据后，BVALID拉高。

⑥当master收到BVALID拉高的信号时，BREADY拉高，写传输完成。

读操作的依赖关系如下：

①在读状态，master将ARVALID拉高。

       ②slave收到ARVALID信号后，将ARREADY拉高，持续到读完，master收到  ARREADY拉高的信号后，将ARVALID拉低。

       ③ARADDR在ARVALID为高时给定对应地址。

       ④RREADY信号收到RVALID信号为高时拉高，保持一个周期，读出数据。

2.系统结构

这里通过如下的系统框图来实现PL和PS之间的数据传输：

主要实现以下的功能：PS端把数据写入RAM中，然后PL端通过AXI总线(这里使用AXI4_Lite)把数据从RAM中把数据读出来，进行相应的处理；PL端通过AXI(这里使用AXI4_Lite)总线把数据写入RAM中，PS端从RAM中读取数据。

3.PL端

(1)首先创建一个Block Design，加入以下IP核：

IP核的设置为：

①processing_system7

PS-PLConfiguration中打开AXI_GP0接口。

MIOConfiguration中Bank1 I/O Voltage 选择1.8V。

ClockConfiguration中FCLK_CLK0设置为100MHz。

DDRConfiguration 中需要根据自己的芯片型号进行选择、设置，如果不         对应，则程序无法运行。

②axi_bram_ctrl

AXIProtocol选择AXI4LITE。

Numberof BRAM interface选择1。

③blk_mem_gen

Mode选择BRAM Controller。

MemoryType选择True Dual Port RAM。

④axi_gpio

GPIO选择 ALL Outputs；width选择2。

设置完成之后，我们为axi_bram_ctrl_1创建端口，右键S_AXI，选择Create interface port，name设置为s_axi_lite，mode选择SLAVE，点击OK；同时为axi_gpio_0创建输出端口，Port name 设置gpio，点击OK。然后点击页面上方的Run Connection Automation，最后的结果如下：

其中clk和rstn为PL端提供时钟和复位，端口s_axi_lite需要关联时钟fclk，关联设置如下：

设置完之后需要对不同的模块分配地址，右键选择Auto Assign Address：

然后点击下图中左侧第二个打✔的图标，出现以下提示表示设置的原理图没有问题。

然后右键system，创建顶层例化文件，把设置的原理图当做一个IP核例化使用。

(2)PL端我们还需要通过AXI总线往Block RAM中写入和读取数据，这就需要PL端写AXI的控制逻辑，根据以上分析，设计AXI读写状态时序如下：

状态设计

其中rd_en和wr_en是由PS端给出，控制PL端是写还是读，结束条件指的是写入或读出的个数，也就是每次写入或读出数据的个数控制，这里使用计数器控制，每次写入或读出的长度为32，写入的数据为0-31。

AXI读时序

以上从机的响应信号均为假设收到valid信号后拉高，根据以上时序编写Verilog代码，然后产生Bit文件，Launch SDK进入软件编程界面。

4.PS端

创建一个新的工程，首先给出写使能信号，让PL端往BRAM中写入数据，然后PS端读取数据。

上述GPIO控制，实际就是向PL端发送一个脉冲(GPIO[1]由0->1->0)使能信号,GPIO[0]为0是写状态，为1是读状态。在Vivado波形中，可以看到数据以递增的形式在写入。

在PS端读取BRAM中的数据, 可以看到数据是一致的。

然后PS端向BRAM中写入递减数据

从波形上可以看到PL端读取的数据也是正确的