[嵌入式]Zynq - Simple DMA Loopback Test

基于Zynq FPGA? Simple DMA环回测试

0? 概述

? ? ? ? DMA技术是指外设与系统内存进行数据交换，而不通过CPU直接参与的接口技术。该技术特别适合大批量数据的收发，可以提高传输速率和传输效率。在整个DMA数据交互过程中，CPU通过配置指定寄存器，只需要提供起始地址和传输长度和传输使能等参数信息给DMA控制器，DMA控制器可以接管总线，并访问内存，等待传输结束，产生一个中断信号告知CPU，并交出总线控制权。

1 ?Xilinx PL端DMA软核介绍

Xilinx AXI DMA软核结构框图如下，总共包含4中总线接口，本次实验用到其中的3种，AXI Memory Write/Read暂时未用到 。
该框图详见Xilinx 官方手册PG021。

本次实验采用Simple DMA方式，对应直接操作配置寄存器。

?

寄存器的详细定义

说明：对于第一次使用DMA软核功能而言，阅读Xilinx 官方手册PG021是最直接，最完整有效的资料，然后重点研究手册里面需要用到的部分进行多次精读。阅读过程种假设有存在疑问的地方，记录下来，在板级调试的时候，通过抓取相关信号，反过来帮助理解，从而达到熟练和解惑的效果。

2 ?Block Design设计

?整体的设计框图如上图，复位模块没有包含，增加System ILA，观察信号细节更方便。

3 ?SDK程序设计

SDK设计我不熟练，就直接使用第三方程序移植过来直接使用，这里使用的是《正点原子的SDK程序》，表示感谢。

//****************************************Copyright (c)***********************************//
//技术支持：www.openedv.com
//淘宝店铺：http://openedv.taobao.com 
//关注微信公众平台微信号："正点原子"，免费获取FPGA & ZYNQ & STM32资料。
//版权所有，盗版必究。
//Copyright(C) 正点原子 2018-2028
//All rights reserved
//----------------------------------------------------------------------------------------
// File name:           main.c
// Last modified Date:  2019年5月22日上午10:27:03
// Last Version:        V1.0
// Descriptions:        Axi dma驱动程序在中断模式下传输数据包的用法示例
//----------------------------------------------------------------------------------------
// Created by:          正点原子
// Created date:        2019年5月22日上午10:27:03
// Version:             V1.0
// Descriptions:        The original version
//
//----------------------------------------------------------------------------------------
//****************************************************************************************//

/***************************** Include Files *********************************/

#include "xaxidma.h"
#include "xparameters.h"
#include "xil_exception.h"
#include "xscugic.h"

/************************** Constant Definitions *****************************/

#define DMA_DEV_ID          XPAR_AXIDMA_0_DEVICE_ID
#define RX_INTR_ID          XPAR_FABRIC_AXIDMA_0_S2MM_INTROUT_VEC_ID
#define TX_INTR_ID          XPAR_FABRIC_AXIDMA_0_MM2S_INTROUT_VEC_ID
#define INTC_DEVICE_ID      XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID
#define DDR_BASE_ADDR       XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR   //0x00100000
#define MEM_BASE_ADDR       (DDR_BASE_ADDR + 0x1000000)     //0x01100000
#define TX_BUFFER_BASE      (MEM_BASE_ADDR + 0x00100000)    //0x01200000
#define RX_BUFFER_BASE      (MEM_BASE_ADDR + 0x00300000)    //0x01400000
#define RESET_TIMEOUT_COUNTER   10000    //复位时间
#define TEST_START_VALUE        0x0      //测试起始值
#define MAX_PKT_LEN             0x100    //发送包长度

/************************** Function Prototypes ******************************/

static int check_data(int length, u8 start_value);
static void tx_intr_handler(void *callback);
static void rx_intr_handler(void *callback);
static int setup_intr_system(XScuGic * int_ins_ptr, XAxiDma * axidma_ptr,
        u16 tx_intr_id, u16 rx_intr_id);
static void disable_intr_system(XScuGic * int_ins_ptr, u16 tx_intr_id,
        u16 rx_intr_id);

/************************** Variable Definitions *****************************/

static XAxiDma axidma;     //XAxiDma实例
static XScuGic intc;       //中断控制器的实例
volatile int tx_done;      //发送完成标志
volatile int rx_done;      //接收完成标志
volatile int error;        //传输出错标志

/************************** Function Definitions *****************************/

int main(void)
{
    int i;
    int status;
    u8 value;
    u8 *tx_buffer_ptr;
    u8 *rx_buffer_ptr;
    XAxiDma_Config *config;

    tx_buffer_ptr = (u8 *) TX_BUFFER_BASE;
    rx_buffer_ptr = (u8 *) RX_BUFFER_BASE;

    xil_printf("\r\n--- Entering main() --- \r\n");

    config = XAxiDma_LookupConfig(DMA_DEV_ID);
    if (!config) {
        xil_printf("No config found for %d\r\n", DMA_DEV_ID);
        return XST_FAILURE;
    }

    //初始化DMA引擎
    status = XAxiDma_CfgInitialize(&axidma, config);
    if (status != XST_SUCCESS) {
        xil_printf("Initialization failed %d\r\n", status);
        return XST_FAILURE;
    }

    if (XAxiDma_HasSg(&axidma)) {
        xil_printf("Device configured as SG mode \r\n");
        return XST_FAILURE;
    }

    //建立中断系统
    status = setup_intr_system(&intc, &axidma, TX_INTR_ID, RX_INTR_ID);
    if (status != XST_SUCCESS) {
        xil_printf("Failed intr setup\r\n");
        return XST_FAILURE;
    }

    //初始化标志信号
    tx_done = 0;
    rx_done = 0;
    error   = 0;

    value = TEST_START_VALUE;
    for (i = 0; i < MAX_PKT_LEN; i++) {
        tx_buffer_ptr[i] = value;
        value = (value + 1) & 0xFF;
    }

    Xil_DCacheFlushRange((UINTPTR) tx_buffer_ptr, MAX_PKT_LEN);   //刷新Data Cache

    status = XAxiDma_SimpleTransfer(&axidma, (UINTPTR) tx_buffer_ptr,
    MAX_PKT_LEN, XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE);
    if (status != XST_SUCCESS) {
        return XST_FAILURE;
    }

    status = XAxiDma_SimpleTransfer(&axidma, (UINTPTR) rx_buffer_ptr,
    MAX_PKT_LEN, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);
    if (status != XST_SUCCESS) {
        return XST_FAILURE;
    }

    Xil_DCacheFlushRange((UINTPTR) rx_buffer_ptr, MAX_PKT_LEN);   //刷新Data Cache
    while (!tx_done && !rx_done && !error)
        ;
    //传输出错
    if (error) {
        xil_printf("Failed test transmit%s done, "
                "receive%s done\r\n", tx_done ? "" : " not",
                rx_done ? "" : " not");
        goto Done;
    }

    //传输完成，检查数据是否正确
    status = check_data(MAX_PKT_LEN, TEST_START_VALUE);
    if (status != XST_SUCCESS) {
        xil_printf("Data check failed\r\n");
        goto Done;
    }

    xil_printf("Successfully ran AXI DMA Loop\r\n");
    disable_intr_system(&intc, TX_INTR_ID, RX_INTR_ID);

    Done: xil_printf("--- Exiting main() --- \r\n");
    return XST_SUCCESS;
}

//检查数据缓冲区
static int check_data(int length, u8 start_value)
{
    u8 value;
    u8 *rx_packet;
    int i = 0;

    value = start_value;
    rx_packet = (u8 *) RX_BUFFER_BASE;
    for (i = 0; i < length; i++) {
        if (rx_packet[i] != value) {
            xil_printf("Data error %d: %x/%x\r\n", i, rx_packet[i], value);
            return XST_FAILURE;
        }
        value = (value + 1) & 0xFF;
    }

    return XST_SUCCESS;
}

//DMA TX中断处理函数
static void tx_intr_handler(void *callback)
{
    int timeout;
    u32 irq_status;
    XAxiDma *axidma_inst = (XAxiDma *) callback;

    //读取待处理的中断
    irq_status = XAxiDma_IntrGetIrq(axidma_inst, XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE);
    //确认待处理的中断
    XAxiDma_IntrAckIrq(axidma_inst, irq_status, XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE);

    //Tx出错
    if ((irq_status & XAXIDMA_IRQ_ERROR_MASK)) {
        error = 1;
        XAxiDma_Reset(axidma_inst);
        timeout = RESET_TIMEOUT_COUNTER;
        while (timeout) {
            if (XAxiDma_ResetIsDone(axidma_inst))
                break;
            timeout -= 1;
        }
        return;
    }

    //Tx完成
    if ((irq_status & XAXIDMA_IRQ_IOC_MASK))
        tx_done = 1;
}

//DMA RX中断处理函数
static void rx_intr_handler(void *callback)
{
    u32 irq_status;
    int timeout;
    XAxiDma *axidma_inst = (XAxiDma *) callback;

    irq_status = XAxiDma_IntrGetIrq(axidma_inst, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);
    XAxiDma_IntrAckIrq(axidma_inst, irq_status, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);

    //Rx出错
    if ((irq_status & XAXIDMA_IRQ_ERROR_MASK)) {
        error = 1;
        XAxiDma_Reset(axidma_inst);
        timeout = RESET_TIMEOUT_COUNTER;
        while (timeout) {
            if (XAxiDma_ResetIsDone(axidma_inst))
                break;
            timeout -= 1;
        }
        return;
    }

    //Rx完成
    if ((irq_status & XAXIDMA_IRQ_IOC_MASK))
        rx_done = 1;
}

//建立DMA中断系统
//  @param   int_ins_ptr是指向XScuGic实例的指针
//  @param   AxiDmaPtr是指向DMA引擎实例的指针
//  @param   tx_intr_id是TX通道中断ID
//  @param   rx_intr_id是RX通道中断ID
//  @return：成功返回XST_SUCCESS，否则返回XST_FAILURE
static int setup_intr_system(XScuGic * int_ins_ptr, XAxiDma * axidma_ptr,
        u16 tx_intr_id, u16 rx_intr_id)
{
    int status;
    XScuGic_Config *intc_config;

    //初始化中断控制器驱动
    intc_config = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);
    if (NULL == intc_config) {
        return XST_FAILURE;
    }
    status = XScuGic_CfgInitialize(int_ins_ptr, intc_config,
            intc_config->CpuBaseAddress);
    if (status != XST_SUCCESS) {
        return XST_FAILURE;
    }

    //设置优先级和触发类型
    XScuGic_SetPriorityTriggerType(int_ins_ptr, tx_intr_id, 0xA0, 0x3);
    XScuGic_SetPriorityTriggerType(int_ins_ptr, rx_intr_id, 0xA0, 0x3);

    //为中断设置中断处理函数
    status = XScuGic_Connect(int_ins_ptr, tx_intr_id,
            (Xil_InterruptHandler) tx_intr_handler, axidma_ptr);
    if (status != XST_SUCCESS) {
        return status;
    }

    status = XScuGic_Connect(int_ins_ptr, rx_intr_id,
            (Xil_InterruptHandler) rx_intr_handler, axidma_ptr);
    if (status != XST_SUCCESS) {
        return status;
    }

    XScuGic_Enable(int_ins_ptr, tx_intr_id);
    XScuGic_Enable(int_ins_ptr, rx_intr_id);

    //启用来自硬件的中断
    Xil_ExceptionInit();
    Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,
            (Xil_ExceptionHandler) XScuGic_InterruptHandler,
            (void *) int_ins_ptr);
    Xil_ExceptionEnable();

    //使能DMA中断
    XAxiDma_IntrEnable(&axidma, XAXIDMA_IRQ_ALL_MASK, XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE);
    XAxiDma_IntrEnable(&axidma, XAXIDMA_IRQ_ALL_MASK, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);

    return XST_SUCCESS;
}

//此函数禁用DMA引擎的中断
static void disable_intr_system(XScuGic * int_ins_ptr, u16 tx_intr_id,
        u16 rx_intr_id)
{
    XScuGic_Disconnect(int_ins_ptr, tx_intr_id);
    XScuGic_Disconnect(int_ins_ptr, rx_intr_id);
}

4 ?ila在线调试

我个人比较关注：PS端给PL端DMA软核的寄存器配置信息及过程。

完整的DMA传输流程如下，以DMA控制器读取DDR3内存数据，然后写入到PL端的FIFO缓存来进行说明：

１.　设定DMA读内存的起始地址；　　

２.　设定读内存的长度；

３.　使能DMA传输；

４.　单次DMA传输完毕，PL端DMA控制器发出一个中断信号给到PS端；

５.　PS端软件处理中断；

上图为DMA寄存器配置图，由上图可知：

第１步：PS端配置寄存器地址18，即DMA传输的起始地址，地址为３２位；

第２步：PS端配置寄存器地址00，即开启DMA传输使能；

第３步：PS端配置寄存器地址28，即设置DMA传输长度；

说明：没有完全按照PG021手册说明的顺序来实现，估计DMA软核会进行细节处理；

?上图为DMA数据流传输图，采用AXI Steam接口模式进行数据发送，每个数据为32比特，高字节在前，大端模式。数据流为：0x03020100 ~ 0xFF_FE_FD_FC 。