0、Prepare

1、Preview

2、VDMA

2.1、Features

2.2、Channels defines

2.2.1、Write Channel（S2MM）

2.2.2、Read Channel（MM2S）

2.3、Performance

2.3.1、Frequency

2.3.2、Latency

2.3.3、Throughput

2.3.4、Resource Utilization

2.4、Signals

2.5、Timings

2.5.1、Read Timings (MM2S)

2.5.2、Write Timings (S2MM)

2.6、Registers

2.7、GenLock mechanism

2.7.1、Genlock Master

2.7.2、Genlock Slave

2.7.3、Dynamic Genlock Master

2.7.4、Dynamic Genlock Slave

2.7.5、GenLock Summary

2.7.6、Examples

3、Programming Sequence

0、Prepare

本章需要一些 AXI-Stream 的知识，可以参考：

https://blog.csdn.net/qq_23274715/article/details/102500648

https://zhuanlan.zhihu.com/p/152283168

1、Preview

AXI VDMA（AXI Video Direct Memory Access，以下简称 VDMA），是 Xilinx 提供的软核 IP。其功能和 AXI DMA（以下简称 DMA）有些类似，都可以为存储器或者 AXI4-Stream 类目标外设之间提供高带宽直接存储器存取。是专门为视频数据传输定制的 IP；

为什么是 VDMA？

有过嵌入式图像开发经验的同学应该都知道，针对图像的常规操作，软件和硬件交互的方式是：

1、硬件层面，有一片存储空间，它的内容直接映射到显示设备（比如 LCD 等）；

2、软件来说，配置好硬件，直接往这片存储空间写对应格式的数据，数据就会显示在显示设备上；

这片空间可以叫显存，或者一个更加通用的名称 FrameBuffer（帧缓冲）！

Xilinx 提供的 VDMA IP 不仅仅集成了 DMA 的功能，还提供针对图像的 FrameBuffer 和 GenLock 同步锁相机制（保证读写同一块帧缓冲的顺序）；非常适合搭建高带宽的图像通路；

Xilinx 介绍 VDMA 的文档位于：

https://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/axi_vdma/v6_2/pg020_axi_vdma.pdf

2、VDMA

2.1、Features

下面是 VDMA 的系统框图：

可以看到 VDMA 向外提供了 3 路通路：

1、AXI4-Lite：用于配置 VDMA 的寄存器，来控制 VDMA 的行为；

2、AXI4 Memory Map：用于通过 AXI 4 接口，直接访问 DDR 控制器，进而访问 DDR；

3、AXI4-Stream：用于将图像数据按照 AXI4-Stream 的方式快速的输出，或者读入；

换句话来说，AXI4-Lite 用于 CPU 来给 VDMA 配置 IP 的行为，AXI4 Memory Map 直接和 DDR 交互，也就是 FrameBuffer；AXI4-Stream 用于输出、输入视频流式数据；

VDMA 支持的硬件上的配置如下：

1、AXI4 Memory Map 数据总线宽度支持 32、64、128、256、512和1,024位；

2、AXI4-Stream 支持 8 位的整数倍至 1,024 位的数据总线宽度。AXI4-Stream 数据宽度必须小于或等于相应通道的AXI4数据宽度；

3、支持可选的数据重新排列引擎（DRE）。DRE让对内存的未对齐访问，从而允许帧缓冲区从内存中的任何地址开始；

4、支持同步锁相功能（用于同步读和写同一片 FrameBuffer 的行为仲裁）；

5、支持每个通道相互独立的异步时钟；

6、AXI4-Stream 支持动态时钟变换；

7、最大支持 32 个 FrameBuffer；

8、最大支持 64 bits 地址空间；

2.2、Channels defines

在 VDMA 中，定义了几条通路：

2.2.1、Write Channel（S2MM）

PG020 中定义的写数据路径为 AXI VDMA 从 AXI4-Stream Slave 接收数据，然后使用 AXI4 Master 写入到主存的过程；这个过程，我们也叫 S2MM，全称是 AXI4-Stream To AXI4 Memory Map：

S2MM：AXI4-Stream Slave To AXI4 Memory Map

2.2.2、Read Channel（MM2S）

PG020 中定义的读数据路径为 AXI VDMA 从使用 AXI4 Master 将数据读出来，AXI4-Stream Master 将数据输出；这个过程，我们也叫 MM2S，全称是 AXI4 Memory MapTo AXI4-Stream：

MM2S：AXI4 Memory MapTo AXI4-Stream

不管是读，还是写，他们都是彼此独立的存在，完全不相干的通道；那万一针对同一片 FrameBuffer 即有写，又有读，那咋办？这就是后面要说到的 GenLock；

2.3、Performance

2.3.1、Frequency

针对不同的 FPGA 上，VDMA 能够达到的性能是不一样的，Xilinx 官方给了表格，关于最大时钟频率而言如下：

2.3.2、Latency

下面是 VDMA 核在读和写的 Data path 上的时延：

2.3.3、Throughput

不同数据位宽下 HD 的帧吞吐率：

2.3.4、Resource Utilization

资源占用，这里主要是统计了 Slice， LUT，Reg（FF），BRAM：

Zynq-7000 的占用如下：

2.4、Signals

VDMA 模块的信号如下所示：

读写通道完全分开，使用不同的时钟；

2.5、Timings

2.5.1、Read Timings (MM2S)

VDMA 的文档中，举例了在 MM2S 的情况下的时序：

以图像为 5 行，每行 16 字节为例：

可以看到，首先接收到 mm2s_fsync 信号，VDMA 在 AXI 4 一侧发起地址握手m_axi_mm2s_arready 和 m_axi_mm2s_arvalid（橘黄色）。一共有 5 次，对应了 5 行数据；

地址阶段完成后，完成读信号的握手：m_axi_mm2s_rvalid 和 m_axi_mm2s_rready，VDMA 开始使用 AXI4 Memory Map 读取内存的数据，每一次读 16 Bytes，读完后发送 m_axi_mm2s_rlast；

数据被缓存到 Line Buffer，一直到 AXI-Stream 握手信号有效（蓝色），开始将数据通过 AXI-Stream，往外发送；

2.5.2、Write Timings (S2MM)

写时序类似，不再多说：

2.6、Registers

VDMA 的寄存器是通过 AXI-Lite 进行配置访问，寄存器主要分为两组：MM2S 和 S2MM：

主要配置的内容有：

1、中断的配置，即是否产生一些错误中断，或者一些 Frame Count 中断；

2、使能和禁能 VDMA 或者 GenLock 等；

3、配置要传输图像在内存中 FrameBuffer 的起始地址；

4、配置图像的宽高（这样 VDMA 才知道要传输多大的数据 Size）；

5、帧缓存的使用策略；

这里就不一一叙述，有兴趣的同学可以直接参考 PG020 文档描述，或者看看已经总结出来中文版的一些内容，比如：

https://blog.csdn.net/weixin_42639919/article/details/81144746

2.7、GenLock mechanism

在许多视频应用程序中，视频数据输入速度与读取速度不同。为了避免可能导致速率不匹配的潜在不良影响，经常使用帧缓冲。数据写入一个缓冲区，而读取操作在另一个缓冲区进行。

而VDMA的Genlock可防止读取和写入通道同时访问同一帧，也就是防止同时对一帧数据进行读和写操作；

AXI VDMA支持四种模式的 Genlock 同步：

Genlock Master

Genlock Slave

Dynamic Genlock Master

Dynamic Genlock Slave

2.7.1、Genlock Master

读通道(MM2S)：当配置为Genlock Master时，该通道不会跳过或者重复任一帧数据，并把当前帧的编号输出在mm2s_frame_ptr_out 端口。通道不会检测 mm2s_frame_ptr_in 端口提供的帧编号。Genlock Slave通道应跟随Genlock Master通道变化，但有一定的延迟。延迟大小预定义在寄存器中（*frmdly_stride[28:24]）。

写通道(S2MM)：当配置为Genlock Master时，该通道不会跳过或者重复任一帧数据，并把当前帧的编号输出到s2mm_frame_ptr_out端口。通道不会检测 s2mm_frame_ptr_in 端口提供的帧编号。Genlock Slave通道应跟随Genlock Master通道变化，但有一定的延迟。延迟大小预定义在寄存器中（*frmdly_stride[28:24]）。

换言之，就是 Master 最大，Master 按照规矩走，而 Slave

2.7.2、Genlock Slave

读通道（MM2S）：当配置为Genlock Slave时，该通道会通过跳过或者重复一些帧的方式，尝试与Genlock Master同步。通道会对mm2s_frame_ptr_in端口进行采样，获取Genlock Master的帧编号。为了实现状态反馈，通道会把当前帧的编号输出到mm2s_frame_ptr_out端口。

指定通道工作在Genlock Slave模式，必须进行如下操作。

1、将GenlockEn置1（MM2S_VDMACR[3]=1），使能主、从通道之间的Genlock同步。

2、将GenlockSrc置1（MM2S_VDMACR[7]=1），使能内部Genlock模式。如果在Vivado IDE中同时使能读、写通道，该位默认置位。当GenlockSRC=1时，VDMA默认支持内部同步锁相总线。这样一来就没有必要在外部对帧指针端口（*frame_ptr_out和*_frame_ptr_in）进行连接了。

3、根据主从通道的帧率，使用mm2s_frmdly_stride[28:24]设定合适的延迟时间

写通道（S2MM）：当配置为Genlock Slave时，该通道会通过跳过或者重复一些帧的方式，尝试与Genlock Master同步。通道会对s2mm_frame_ptr_in端口进行采样，获取Genlock Master的帧编号。为了实现状态反馈，通道会把当前帧的编号输出到s2mm_frame_ptr_out端口。

指定通道工作在Genlock Slave模式，必须进行如下操作。

1、将GenlockEn置1（S2MM_VDMACR[3]=1），使能主、从通道之间的Genlock同步。

2、将GenlockSrc置1（S2MM_VDMACR[7]=1），使能内部Genlock模式。如果在Vivado IDE中同时使能读、写通道，该位默认置位。当GenlockSRC=1时，VDMA默认支持内部同步锁相总线。这样一来就没有必要在外部对帧指针端口（*frame_ptr_out和*_frame_ptr_in）进行连接了。

3、根据主从通道的帧率，使用mm2s_frmdly_stride[28:24]设定合适的延迟时间。

2.7.3、Dynamic Genlock Master

读通道（MM2S）：当配置为 Dynamic Genlock Master 时，这个通过会跳过其对应的 Slave 正在操作的帧，Dynamic Genlock Master 通过采集 Dynamic Genlock Slave 发出的当前正在处理的帧号的 mm2s_frame_ptr_in 信号，来进行判断；同时 Dynamic Genlock Master 通过 mm2s_frame_ptr_out 输出上一次访问过的帧编号；

指定通道工作在Dynamic Genlock Master模式，必须进行如下操作。

1、将GenlockEn置1（S2MM_VDMACR[3]=1），使能主、从通道之间的Genlock同步。

2、将GenlockSrc置1（S2MM_VDMACR[7]=1），使能内部Genlock模式。如果在Vivado IDE中同时使能读、写通道，该位默认置位。当GenlockSRC=1时，VDMA默认支持内部同步锁相总线。这样一来就没有必要在外部对帧指针端口（*frame_ptr_out和*_frame_ptr_in）进行连接了。

比如：3 帧的数据，Dynamic Genlock Master 会按照 0,1,2,0,1,2 的顺序循环使用帧存，如果 Slave 一直没有任何操作，那么 Dynamic Genlock Master 会一直重复的去取 0,1,2；如果 Slave 操作了其中一帧，比如 1，那么 Master 就在 0,2,0,2 中去取数据，跳过 1；

写通道（S2MM）：当配置为 Dynamic Genlock Master 时，这个通过会跳过其对应的 Slave 正在操作的帧，Dynamic Genlock Master 通过采集 Dynamic Genlock Slave 发出的当前正在处理的帧号的 s2mm_frame_ptr_in 信号，来进行判断；同时 Dynamic Genlock Master 通过 s2mm_frame_ptr_out 输出上一次访问过的帧编号；

2.7.4、Dynamic Genlock Slave

读通道（MM2S）：当配置为 Dynamic Genlock Slave 时，它通过 mm2s_frame_ptr_in 采集 Dynamic Genlock Master 发出的信号（Dynamic Genlock Master 上一帧的编号）来访问，同时通过 mm2s_frame_ptr_out 输出当前正在处理的帧的编号；

指定通道工作在Dynamic Genlock Slave模式，必须进行如下操作。

1、将GenlockEn置1（S2MM_VDMACR[3]=1），使能主、从通道之间的Genlock同步。

2、将GenlockSrc置1（S2MM_VDMACR[7]=1），使能内部Genlock模式。如果在Vivado IDE中同时使能读、写通道，该位默认置位。当GenlockSRC=1时，VDMA默认支持内部同步锁相总线。这样一来就没有必要在外部对帧指针端口（*frame_ptr_out和*_frame_ptr_in）进行连接了。

写通道（S2MM）：当配置为 Dynamic Genlock Slave 时，它通过 s2mm_frame_ptr_in 采集 Dynamic Genlock Master 发出的信号（Dynamic Genlock Master 上一帧的编号）来访问，同时通过 s2mm_frame_ptr_out 输出当前正在处理的帧的编号；

2.7.5、GenLock Summary

GenLock 是通过封锁通道对同一帧存的访问，来达到读写岔开的目的，根据策略，又分为了普通的和动态的，两种；Master 和 Slave 他们协商是通过帧的编号进行，针对普通的 GenLock Master/Slave，他们之间的协商，仅仅通过 Master 输出当前处理的帧即可，因为 Master 不会错过任何一帧：

针对 Dynamic Genlock Master/Slave 来说，有一个动态协商的过程，属于见缝插针：

2.7.6、Examples

GenLock：

下面的例子中：Write 通道（S2MM）配置为 GenLock Master，Read 通道（MM2S）配置为 GenLock Slave，Write 通道的速度快于 Read 通道：

以 3 帧存为例：

s2mm 顺序访问 0、1、2帧，不受任何影响，因为他是 GenLock Master

mm2s 在 mm2s_fsync 第一个上升沿，发现来自 GenLock Master 的处理帧为 ,1，所以处理 0；

在 mm2s_fsync 第二个上升沿，发现 Master 正在处理 0，那么转到处理 2；

可以看到，在同一时间，其实对 0 帧，还是有重叠访问，即，红色区域；

GenLock Dynamic：

和上面同样的预设条件，只不过换成了 GenLock Dynamic Master/Slave：

可以看到，其实读写完全不会访问同样的帧；

3、Programming Sequence

VDMA 操作首先需要设置视频参数、起始地址寄存器和VDMA控制寄存器。以下列出了启动 AXI VDMA 操作所需的最少步骤：

1、如果需要，将控制信息写入通道VDMACR寄存器（MM2S的偏移量0x00，S2MM的偏移量0x30）以设置中断使能，并设置VDMACR.RS = 1以启动AXI VDMA通道。

2、将有效的视频帧缓冲区起始地址写入通道START_ADDRESS寄存器1至N，其中N等于帧缓冲区（MM2S的偏移量0x5C最高为0x98，S2MM的偏移量0xAC最高为0xE8）。如果需要，设置REG_INDEX寄存器。

3、当AXI VDMA配置为大于32的地址空间时，每个起始地址将被编程为两个寄存器的组合，其中第一个寄存器用于指定地址的LSB 32位，而下一个寄存器用于指定MSB 32位。

4、写入有效的帧延迟（仅对Genlock从设备有效）至FRMDLY_STRIDE寄存器（对于MM2S，偏移量0x58；对于S2MM，偏移量0xA8）。

5、将有效的水平大小写入通道HSIZE寄存器（MM2S偏移0x54；S2MM 为0xA4）。

6、将有效的垂直大小写入通道VSIZE寄存器（MM2S偏移0x50；S2MM为 0xA0 ）。这将启动通道，传输视频数据。

参考阅读：

ZYNQ VDMA:

https://blog.csdn.net/qq_36662353/article/details/107197425

https://blog.csdn.net/weixin_42639919/article/details/81144746

https://blog.csdn.net/long_fly/article/details/79066302

https://blog.csdn.net/weixin_43937539/article/details/106341242

AXI4-Stream

https://zhuanlan.zhihu.com/p/152283168

https://blog.csdn.net/qq_23274715/article/details/102500648

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Zynq-PS-SDK(9) 之 VDMA

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2.2.2、Read Channel（MM2S）

2.3、Performance

2.3.1、Frequency

2.3.2、Latency

2.3.3、Throughput

2.3.4、Resource Utilization

2.4、Signals

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2.5.1、Read Timings (MM2S)

2.5.2、Write Timings (S2MM)

2.6、Registers

2.7、GenLock mechanism

2.7.1、Genlock Master

2.7.2、Genlock Slave

2.7.3、Dynamic Genlock Master

2.7.4、Dynamic Genlock Slave

2.7.5、GenLock Summary

2.7.6、Examples

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