【OpenHW参赛手记】AXI-Stream接口开发详细流程-阿里云开发者社区

下面讲一个例子，来加深对上面介绍内容的理解。笔者使用的软件版本为ISE 14.2。

1.建立PlanAhead工程，一直到进入XPS，具体流程见官方文档CTT^[1]。

2.在XPS中，添加一个AXI-DMA模块，配置界面如图1所示。

图1 AXI-DMA模块配置

其余参数默认。SG模块如果选上，那么后面软件控制会相对复杂一些。这里不选，采用Simple模式，实现较为简单的传输。

3.选菜单Hardware->Createor Import Peripheral…，设计自定义IP。名称起为my_stream_ip，自动版本为1.00a。遇到Bus Interface选择AXI4-Stream类型，一直点下一步到最后结束。该类型IP的生成过程比AXI4-Lite和AXI4都要简单。

4.添加一个my_stream_ip到系统中，连接见图2。

图2 AXI Stream IP硬件连接

由XPS自动生成的my_stream_ip实现了先接收8个32bit字，然后求和，再将结果发送回去（连续发送8次）。上图连接方式说明是AXI-DMA模块发送数据给my_stream_ip，然后my_stream_ip又将结果发回AXI-DMA。同时看到AXI-DMA和PS的数据流连接是通过HP0传输，而控制流通过GP0传输。

5.上面连接在不做任何改动的情况下有问题（主要是XPS的bug），需要一项项手动修改。首先是HP0的地址区间报错，可以先点Zynq标签，然后单击HP0绿线，在弹出的配置对话框中将HP0的地址区间改为我们ZED Board 上DDR2区间0x00000000~0x1FFFFFFF，像图3一样。

图3 修正bug1

在较高版本软件ISE14.5中，这个bug已经修复，不需要改。

第二个bug就是AXI-DMA和my_stream_ip的连线问题。本来都是Stream 接口，按理说是标准接口，不应该有差异。但事实就是这样，XPS界面掩饰的问题层出不穷。我们右击my_stream_ip，选择View MPD，将内容改为：

BEGIN my_stream_ip

## Peripheral Options
OPTION IPTYPE = PERIPHERAL
OPTION IMP_NETLIST = TRUE
OPTION HDL = VERILOG
## Bus Interfaces
BUS_INTERFACE BUS=M_AXIS, BUS_STD=AXIS, BUS_TYPE=INITIATOR
BUS_INTERFACE BUS=S_AXIS, BUS_STD=AXIS, BUS_TYPE=TARGET

## Parameters
PARAMETER C_S_AXIS_PROTOCOL = GENERIC, DT = string, TYPE = NON_HDL, ASSIGNMENT= CONSTANT, BUS = S_AXIS
PARAMETER C_S_AXIS_TDATA_WIDTH = 32, DT = integer, TYPE = NON_HDL, ASSIGNMENT =CONSTANT, BUS = S_AXIS
PARAMETER C_M_AXIS_PROTOCOL = GENERIC, DT = string, TYPE = NON_HDL, ASSIGNMENT= CONSTANT, BUS = M_AXIS
PARAMETER C_M_AXIS_TDATA_WIDTH = 32, DT = integer, TYPE = NON_HDL, ASSIGNMENT =CONSTANT, BUS = M_AXIS
## Peripheral ports
PORT ACLK = "", DIR=I, SIGIS=CLK, BUS=M_AXIS:S_AXIS
PORT ARESETN = ARESETN, DIR=I, INITIALVAL = VCC
PORT S_AXIS_TREADY = TREADY, DIR=O, BUS=S_AXIS
PORT S_AXIS_TDATA = TDATA, DIR=I, VEC=[31:0], BUS=S_AXIS
PORT S_AXIS_TLAST = TLAST, DIR=I, BUS=S_AXIS
PORT S_AXIS_TVALID = TVALID, DIR=I, BUS=S_AXIS
PORT M_AXIS_TVALID = TVALID, DIR=O, BUS=M_AXIS
PORT M_AXIS_TDATA = TDATA, DIR=O, VEC=[31:0], BUS=M_AXIS
PORT M_AXIS_TLAST = TLAST, DIR=O, BUS=M_AXIS
PORT M_AXIS_TREADY = TREADY, DIR=I, BUS=M_AXIS
PORT M_AXIS_TKEEP = TKEEP, DIR=O, VEC=[3:0], BUS=M_AXIS
END

这里存在两个问题：一个是ARESETN，在连接时AXI-DMA上没有合适的引脚与之相连，默认接地。这里显式声明接VCC。另一个问题是TKEEP信号，在我的博客文章《AXI-Stream调试日记（三）》里说过了，这里加上这个引脚，才能准确地将数据发回AXI-DMA。

保存MPD文件，关闭。再次右击my_stream_ip，选择Browse HDL Sources，打开my_stream_ip.v（或my_stream_ip.vhd），添加TKEEP信号并设置TLAST信号。

module my_stream_ip
 (
  ACLK,
  ARESETN,
  S_AXIS_TREADY,
  S_AXIS_TDATA,
  S_AXIS_TLAST,
  S_AXIS_TVALID,
  M_AXIS_TVALID,
  M_AXIS_TDATA,
  M_AXIS_TLAST,
  M_AXIS_TREADY,
  M_AXIS_TKEEP
 );

input                                    ACLK;
input                                    ARESETN;
output                                   S_AXIS_TREADY;
input      [31 :0]                      S_AXIS_TDATA;
input                                    S_AXIS_TLAST;
input                                    S_AXIS_TVALID;
output                                   M_AXIS_TVALID;
output     [31 :0]                      M_AXIS_TDATA;
output                                   M_AXIS_TLAST;
input                                    M_AXIS_TREADY;
output    [3:0]         M_AXIS_TKEEP;

   localparamNUMBER_OF_INPUT_WORDS  = 8;

   localparamNUMBER_OF_OUTPUT_WORDS = 8;

   localparam Idle  =3'b100;
   localparam Read_Inputs = 3'b010;
   localparam Write_Outputs  = 3'b001;

   reg [2:0] state;

   reg [31:0] sum;

   reg [NUMBER_OF_INPUT_WORDS -1:0] nr_of_reads;
   reg [NUMBER_OF_OUTPUT_WORDS - 1:0] nr_of_writes;

   assign S_AXIS_TREADY  =(state == Read_Inputs);
   assign M_AXIS_TVALID = (state == Write_Outputs);

   assign M_AXIS_TDATA = sum;
   assign M_AXIS_TLAST = (nr_of_writes == 1);
 assign M_AXIS_TKEEP = 4'b1111;
   always @(posedge ACLK)
   begin  // process The_SW_accelerator
      if(!ARESETN)              // Synchronous reset (active low)
        begin
          state        <= Idle;
           nr_of_reads <= 0;
           nr_of_writes <=0;
          sum          <= 0;
        end
      else
        case (state)
          Idle:
            if (S_AXIS_TVALID== 1)
            begin
             state       <= Read_Inputs;
             nr_of_reads <= NUMBER_OF_INPUT_WORDS - 1;
             sum         <= 0;
            end

         Read_Inputs:
            if(S_AXIS_TVALID == 1)
            begin
             sum         <= sum + S_AXIS_TDATA;
             if (nr_of_reads == 0)
               begin
                 state        <= Write_Outputs;
                 nr_of_writes <= NUMBER_OF_OUTPUT_WORDS - 1;
               end
             else
               nr_of_reads <= nr_of_reads - 1;
            end

         Write_Outputs:
            if(M_AXIS_TREADY == 1)
            begin
             if (nr_of_writes == 0)
                state <= Idle;
              else
                nr_of_writes <= nr_of_writes - 1;
            end
        endcase
   end

endmodule

到这里修正了已知的所有bug。VHDL代码见我的博客文章http://www.eeforum.com/附件，或通过邮件联系我获取。完成上述更改后，点XPS菜单Project->Rescan User Repositories，实现用户配置更新。

6.点Port标签，引脚连接。这里重点是将所有带CLK字样的都连接到PS7_FCLK_CLK0.如图4所示。

图4 PORT标签信号线连接

7.点击Addresses标签，看看AXI-DMA是否分配了控制端口地址

图5 地址分配

注意，如果你的axi_dma_0的地址和图中不一样，那么在后面软件编写时一定要修改成你的地址。

8.点Project->DesignRule Check；没错时，点Hardware->Generate Netlist，完成后关闭XPS。

9.在PlanAhead中完成综合、实现、生成Bit等步骤^[12]。其实上一步已经完成了综合，所以这一步速度就会非常快。

10 导出SDK工程。建立Helloworld工程。将Helloworld.c里面的内容改为如下代码。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "platform.h"
#include "xil_cache.h"          //必须包含该头文件，实现cache操作

#define sendram ((int *)0x10000000)          //发送缓冲区
#define recvram ((int *)0x10001000)          //接收缓冲区
#define sizeofbuffer 32

void print(char *str);
#define WITH_SG 0
#define AXI_DMA_BASE 0x40400000

#define MM2S_DMACR 0
#define MM2S_DMASR 1
#if WITH_SG
#define MM2S_CURDESC 2
#define MM2S_TAILDESC 4
#else
#define MM2S_SA 6
#define MM2S_LENGTH 10
#endif
#define S2MM_DMACR 12
#define S2MM_DMASR 13
#if WITH_SG
#define S2MM_CURDESC14
#define S2MM_TAILDESC16
#else
#define S2MM_DA 18
#define S2MM_LENGTH 22
#endif

void debug_axi_dma_register(unsigned int *p)
{
 printf("MM2S_DMACR = 0x%x\n",*(p+MM2S_DMACR));
 printf("MM2S_DMASR = 0x%x\n",*(p+MM2S_DMASR));
#if WITH_SG
 printf("MM2S_CURDESC = 0x%x\n",*(p+MM2S_CURDESC));
 printf("MM2S_TAILDESC = 0x%x\n",*(p+MM2S_TAILDESC));
#else
 printf("MM2S_SA = 0x%x\n",*(p+MM2S_SA));
 printf("MM2S_LENGTH = 0x%x\n",*(p+MM2S_LENGTH));
#endif
 printf("S2MM_DMACR =0x%x\n",*(p+S2MM_DMACR));
 printf("S2MM_DMACSR =0x%x\n",*(p+S2MM_DMASR));
#if WITH_SG
 printf("S2MM_CURDESC =0x%x\n",*(p+S2MM_CURDESC));
 printf("S2MM_TAILDESC= 0x%x\n",*(p+S2MM_TAILDESC));
#else
 printf("S2MM_DA =0x%x\n",*(p+S2MM_DA));
 printf("S2MM_LENGTH =0x%x\n",*(p+S2MM_LENGTH));
#endif
}
void init_axi_dma_simple(unsigned int * p)
{
 *(p+MM2S_DMACR) = 0x04;  //reset send axi dma
 while(*(p+MM2S_DMACR)&0x04);
 *(p+S2MM_DMACR) =0x04;  //reset send axi dma
 while(*(p+S2MM_DMACR)&0x04);
 *(p+MM2S_DMACR)=1;
 while((*(p+MM2S_DMASR)&0x01));
 *(p+S2MM_DMACR)=1;
 while((*(p+S2MM_DMASR)&0x01));
 *(p+MM2S_SA) = (unsigned int )sendram;
 *(p+S2MM_DA) =(unsigned int )recvram;
 Xil_DCacheFlushRange((u32)sendram,sizeofbuffer); //将cache内容同步到DDR2
 *(p+S2MM_LENGTH) =sizeofbuffer;//sizeof(recvram);
 *(p+MM2S_LENGTH) = sizeofbuffer;//sizeof(sendram);
 while(!(*(p+MM2S_DMASR)&0x1000)); //wait for send ok

}
void init_sendbuffer()
{
 int i;
 for(i=0;i< sizeofbuffer/4;i++)
 {
  sendram[i]=i*2;
 }
}
void show_recvbuffer()
{
 int i;
 printf("Recv contents are:\n");
 for(i=0;i< sizeofbuffer/4;i++)
 {
  printf("%d\t",recvram[i]);
 }
 printf("\r\n");
}
void show_sendbuffer()
{
 int i;
 printf("Send contents are:\n");
 for(i=0;i< sizeofbuffer/4;i++)
 {
  printf("%d\t",sendram[i]);
 }
 printf("\r\n");
}
int main()
{
 unsigned int status=0;

 int rxlen;
    init_platform();
    init_sendbuffer();

init_axi_dma_simple((unsignedint *)AXI_DMA_BASE);
    printf("Hello World\n\rPlease input data:");
    while(1)
    {
     scanf("%x",&status);
     printf("Got 0x%x\n",status);
     debug_axi_dma_register((unsigned int *)AXI_DMA_BASE);
     if(status==0)
     {
      break;
     }
    }
    show_sendbuffer();

Xil_DCacheInvalidateRange((u32)recvram,sizeofbuffer);      //将DDR2内容同步到cache

    show_recvbuffer();
    cleanup_platform();

return 0;
}

保存，等待生成elf。然后连接板子，下载bit文件，Run App，打开串口终端，等待输出。由图6可见结果正确。

图6 程序输出

最终实现的my_stream_ip对外接口如下图所示。其中“M_AXIS”开头的信号线表示为AXI_Stream主机信号线，而“S_AXIS”开头的信号线表示为AXI_Stream从机信号线。自动生成的代码中没有M_AXIS_TKEEP信号，根据AXI4_Stream协议，这会导致该模块作为主机时发送的数据一直处于无效状态，影响数据传输。我们在my_stream_ip中添加了该信号，并使之有效，从而能够获得正确的处理数据。

图7 my_stream_ip对外接口

其中 Xil_DCacheFlushRange()和Xil_DCacheInvalidateRange()两个函数均在"xil_cache.h"中声明，用于将cache内容同步到DDR2或相反的操作。之前由于不了解cache，导致程序一直得不到正确的结果，总是怀疑硬件问题，后来通过forums.xilinx.com看到了相关的帖子才明白这一点，在此感谢论坛上国内外的技术大牛为社区提供的支持。

【OpenHW参赛手记】AXI-Stream接口开发详细流程

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