XDMA ip core的使用

Posted 2021-03-10 luxinshuo

XDMA核的使用

一、   XDMA相关知识

绝对地址就是物理地址=段地址*16+偏移地址，也就是段地址<<4+偏移地址

主机host通过PCIe接口访问DMA，DMA即外部设备不通过CPU而直接与系统内存（DDR）交换数据。

PIO模式下硬盘和内存之间的数据传输是通过CPU来控制的，而在DMA模式下，CPU只需向DMA控制下达命令，让DMA来控制数据的发送，数据传送完毕后再把数据反馈给CPU，这样很大程度上减轻了 CPU的资源占有率。

DMA和PIO模式的区别就在于，DMA模式不过分依赖CPU，可以大大的节省系统资源，二者在传输速度上的差异并不明显。

PIO模式：CPU通过执行端口IO指令来进行数据读写的交换方式。CPU占有率高。

在例程中数据传输使用XDMA方式，与DMA相同，CPU通过向DMA发送指令完成数据的读写。

读写部分分为两种，一种是数据的读写，另一种数配置数据的读写，在数据读写部分，DMA通过MIG控制DDR完成数据读写。配置数据读写通过与BRAM通过AXI-lite总线连接完成，XDMA将PCIe配置信息存在BRAM，在进行配置信息读写时，将传入主机映射到用户逻辑的地址，然后与偏移地址处理（物理地址=段地址<<4+偏移地址），所以在bram设置时需要将其偏移地址设置的与主机地址映射的偏移地址相同。

对于DDR则不必，设置的话还减少了可使用的内存空间，只是一个袋子，写在哪里就从哪里读取即可，必须设置为0。

XDMA ip core的配置：

1、  Basic

Functional mode:功能模式，即DMA模式。

Mode：模式，选择basic即可，basic与advanced的区别在于advanced模式开放更多的可选选项与功能，basic的话为默认。

Device/Port Type：选择设备与端口类型，为端点设备。

PCIe Block Location：从可用的集成块中选择，以启用生成特定位置的约束文件和输出，产品能够pg054datasheet截取的位置说明P249。

 

 

 

Lane width：通道宽度，根据接口进行选择。

AXI Address width:AXI地址宽度选择，只支持64bit（用户手册73页）。

AXI Data Width：AXI总线上传输的数据宽度，可以是64bit、128bit、256bit、512bit（这个只有ultrascale+可以满足，一分钱一分货），根据datasheet进行配置即可P249，见下图。

 

 

 

DMA Interface option:DMA的接口类型用于数据传输，有两种AXI MM（memory mapped）与AXI ST（stream），二选一。

PCIe ID:

见之前推送。

PCIe BARs:

PCIe to AXI Lite Master Interface：使能，这样可以在主机一侧通过PCIe来访问用户逻辑侧寄存器或者其他AXI-Lite总线设备。

       此处将配置信息存储到BRAM，通过AXI-lite总线读写Bram。

（1）、BAR为32bit，不使能64bit，prefetchable表示预读取，不使能。

（2）、映射空间选择1M，大小随意。

（3）、PCIe to AXI Translation：主机侧BAR地址与用户逻辑侧地址不同，通过设置转换地址实现BAR地址到AXI地址的转换。比如主机一侧BAR地址为0，则主机访问BAR地址0转换到AXI-Lite总线就是0x8000_0000.

PCIe to DMA Interface：数据传输宽度64bit，DMA控制器一般只支持数据8字节对齐的情况。

当数据从上位机通过PCIe接口发送到端点设备，XDMA内部自行解包对将数据与指令进行分析，得到读写操作的指令地址，并对DDR进行读写操作。操作的结果通过AXI接口返回XDMA，XDMA对数据进行组包，之后通过物理层发出，实现数据的DMA控制。

二、上位机设计

2.1 h2c_transfer函数

该函数的作用是向DDR中写入数据，写入大小固定的数据，根据写入时间计算传输的速度（MB/s）。

1、变量定义

Double型变量bd，用于寄存传输速度。

Double型变量time_sec，用于保存传输定量数据所需时间。

LARGE_INTEGER型变量变量start和stop用于保存频率计数值。还有freq，用于保存机器内部计时器的时钟频率。

2、函数操作

2.1 获取传输所需时间

获取传输所需时间，则需要三个量：机器时钟频率，传输开始前后计数器的计数值。

获取机器内部计时器的时钟

QueryPerformanceFrequency(&freq);

      QueryPerformanceCounter(&start);

      ……    //数据传输

  QueryPerformanceCounter(&stop);

头文件为<Windows.h>，函数原型为：

BOOL QueryPerformanceFrequency(LARGE_INTEGER *lpFrequency);

BOOL QueryPerformanceCounter (LARGE_INTEGER *lpCount);

在定时前先调用QueryPerformanceFrequency函数获得机器内部计时器的时钟频率，然后在严格计时的时间发生前后调用QueryPerformanceCounter函数，获得两次计数的差值经过转换得到事件耗费的精准时间。

LARGE_INTEGER为一个typedef定义的变量，其原型为：

typeef union _ LARGE_INTEGER

{

struct

{

DWORD LowPart;

LONG HighPart;

};

LONGLONG QuadPart;

} LARGE_INTEGER;

2.2 数据写入操作

    使用的是自定义的write_device()函数，操作语句为：write_device(h2c0_device,FPGA_DDR_START_ADDR+0x20000000,size,h2c_align_mem_tmp);四个参数分别为：设备句柄，传输目的地址，传输的数据大小（单位为字节），写入数据的缓存区地址。

在write_device函数中，重点是变量与函数语句：

变量：

DWORD wr_size：用于保存写入的字节数

unsigned int transfers；传输次数，每次传输的最大字节数为0x800000，也就是8MB，根据要传输的字节数计算所需传输的次数。

函数语句：

数据的写入通过WriteFile()函数完成，操作语句为WriteFile(device, (void *)(buffer+i*MAX_BYTES_PER_TRANSFER), MAX_BYTES_PER_TRANSFER, &wr_size, NULL)，传入参数分别为：系统文件句柄，写入数据的存储地址，每次传输的字节数，成功写入的字节数。

WriteFile()函数的返回值为bool类型，操作成功为true，操作失败返回-1，实际写入的字节数与设定的写入字节数不同时返回-2。

在数据写入之前，需要先设置一个文件在设备的对应地址中的操作位置，FILE_BEGIN表示在文件的起始位置接收传输的数据。

 

unsigned int h2c_transfer(unsigned int size)
{
    double bd=0;
    double time_sec;
    LARGE_INTEGER start;
    LARGE_INTEGER stop;
    LARGE_INTEGER freq;
    QueryPerformanceFrequency(&freq);
    QueryPerformanceCounter(&start); write_device(h2c0_device,FPGA_DDR_START_ADDR+0x20000000,size,h2c_align_mem_tmp);
    QueryPerformanceCounter(&stop);
    time_sec = (unsigned long long)(stop.QuadPart - start.QuadPart) / (double)freq.QuadPart;
    bd = ((double)size)/(double)(time_sec)/1024.0/1024.0;

    return (unsigned int)bd;
}

2.3 数据读取操作

    与数据写入类似，读取的起始地址为写入时的起始地址。

unsigned int c2h_transfer(unsigned int size)

{

    double bd=0;

    double time_sec;

    LARGE_INTEGER start;

    LARGE_INTEGER stop;

    LARGE_INTEGER freq;

 

    QueryPerformanceFrequency(&freq);

    QueryPerformanceCounter(&start);

    read_device(c2h0_device,FPGA_DDR_START_ADDR+0x10000000,size,c2h_align_mem_tmp);

    QueryPerformanceCounter(&stop);

    time_sec = (unsigned long long)(stop.QuadPart - start.QuadPart) / (double)freq.QuadPart;

    bd = ((double)size)/(double)(time_sec)/1024.0/1024.0;

 

    return (unsigned int)bd;

}