米联客 ZYNQ/SOC 精品教程 S02-CH19 利用BRAM进行PS与PL间数据交互

软件版本：VIVADO2017.4

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用米联客 ZYNQ系列开发板

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19.1 概述

本课介绍一种基于PL端BRAM的方式，进行PS和PS之间的数据交互。适用于在PS和PL之间传输少量，地址不连续，且长度不规则的数据，比如，配置参数，变量，控制信息等。

19.2 基本原理

在本例程中，在PL端设计了1个4KB（位宽32，深度1024）的BRAM。首先，PS通过M_AXI_GP口向BRAM中1024个地址依次存入1024个32位的数据。PS每向BRAM完成写入1个32位数据后通过AXI GPIO输出1个上升沿信号，PL捕获上升沿后立即将PS写入的32位数据读出，然后加2，再存入原地址中。存储完成后，PL通过AXI GPIO向PS输入1个翻转信号，每翻转1次，AXI GPIO便向PS触发1次中断。PS触发中断后，再从BRAM中读出该数据，判断是否被加了2，若不一致，则报错。

以上过程重复1024次，便将BRAM的所有地址都进行了遍历。之后，则不断重复这个过程。

19.3 FPGA BD工程

VIVADO 2017.4开始可以使用axi_smc IP这个IP和AXI_interconnect IP功能类似，但是没有AXI_interconnect IP强大，在一些高带宽的要求下，还是要用AXI_interconnect IP，VIVADO2017.4自动连线会优先使用axi_smc IP。

以下是VIVADO 2016.4版本以前的自动联系，只会采用AXI_interconnect IP。所以从VIVADO2017.4开始我们多了axi_smc IP进行AXI4总线接口的互联。

19.3.2 PS配置

PS的配置如下图所示。使能M_AXI_GP0口，将FCLK_CLK0设为100MHz，使能PL至PS的中断。

19.3.3 AXI BRAM Controller

AXI BRAM Controller是本例程中的关键，该IP核连接PS的M_AXI_GP0口和BRAM，完成AXI接口至BRAM接口的转换。设置如下图所示。

19.3.4 Block Memory Generator

添加BRAM，将BRAM设置为双口RAM，将PORTA与AXI BRAM Controller连接，PS通过PORTA读写BRAM，另外，将PORTB引出至外部模块，PL通过PORTB读写BRAM。如下图所示。

由于要与AXI BRAM Controller进行连接，BRAM接口的位宽固定为32位。BRAM的深度无法在该IP中进行设置，需要在所有模块连接完成后，在Address Editor里对AXI BRAM Controller的地址范围进行设置，本例程中设置为4KB。该地址范围即对应BRAM的深度，如下图所示。

例如，4KB=32bit×1024，因此BRAM的深度为1024。如下图所示。

去掉Enable Safety Circuit

19.3.5 AXI GPIO

添加AXI GPIO，位宽设为2，使能中断，将中断输出与PS的中断接口连接，设置如下图所示。其中GPIO0作为PS向PL输出的PS BRAM写入完成信号，对于PL而言，上升沿有效。GPIO1作为PL向PS输入的BRAM写入完成信号，该信号为翻转信号，每次翻转向PS产生1次中断。

19.4逻辑设计

PL部分逻辑设计主要包括以下几个过程：

检测AXI GPIO输出的GPIO0的上升沿；

若检测到GPIO0的上升沿，则从BRAM的某1个地址中读出1个PS写入32位数据，然后加2，存入原地址中；

1个32数据存储完毕后，将AXI GPIO的输入信号GPIO1进行翻转，告知PS一次数据读写完成。

不断循环上述过程，依次遍历BRAM中0~4092的地址范围。

module system_wrapper_BRAM(

inout [14:0]DDR_addr,

inout [2:0]DDR_ba,

inout DDR_cas_n,

inout DDR_ck_n,

inout DDR_ck_p,

inout DDR_cke,

inout DDR_cs_n,

inout [3:0]DDR_dm,

inout [31:0]DDR_dq,

inout [3:0]DDR_dqs_n,

inout [3:0]DDR_dqs_p,

inout DDR_odt,

inout DDR_ras_n,

inout DDR_reset_n,

inout DDR_we_n,

inout FIXED_IO_ddr_vrn,

inout FIXED_IO_ddr_vrp,

inout [53:0]FIXED_IO_mio,

inout FIXED_IO_ps_clk,

inout FIXED_IO_ps_porb,

inout FIXED_IO_ps_srstb

);

wire [31:0]BRAM_PORTB_addr;

wire BRAM_PORTB_clk;

wire [31:0]BRAM_PORTB_din;

wire [31:0]BRAM_PORTB_dout;

wire BRAM_PORTB_en;

wire BRAM_PORTB_rst;

wire [3:0]BRAM_PORTB_we;

wire [0:0]GPIO_tri_i_0;

wire [1:1]GPIO_tri_i_1;

wire [0:0]GPIO_tri_o_0;

wire [1:1]GPIO_tri_o_1;

wire [0:0]aresetn;

reg gpio_tri_o_0_reg;

reg ps_bram_wr_done;

reg pl_bram_wr_done;

reg bram_en;

reg [3:0] bram_we;

reg [31:0] bram_addr;

reg [31:0] bram_rd_data;

reg [31:0] bram_wr_data;

reg [2:0] state;

localparam BRAM_ADDRESS_HIGH = 32'd4096 - 32'd4;

always@(posedge FCLK_CLK0)

begin

if(!aresetn)

gpio_tri_o_0_reg <= 1'b0;

else

gpio_tri_o_0_reg <= GPIO_tri_o_0;

end

always@(posedge FCLK_CLK0)

begin

if(!aresetn)

ps_bram_wr_done <= 1'b0;

else if({gpio_tri_o_0_reg, GPIO_tri_o_0} == 2'b01) //gpio0 rising edge

ps_bram_wr_done <= 1'b1;

else

ps_bram_wr_done <= 1'b0;

end

always@(posedge FCLK_CLK0)

begin

if(!aresetn) begin

bram_we <= 4'd0;

bram_en <= 1'b0;

bram_addr <= 32'd0;

bram_rd_data <= 32'd0;

bram_wr_data <= 32'd0;

pl_bram_wr_done <= 1'b0;

state <= 3'd0;

end

else begin

case(state)

0: begin

if(ps_bram_wr_done) begin

bram_en <= 1'b1;

bram_we <= 4'd0;

state <= 1;

end

else begin

state <= 0;

bram_en <= 1'b0;

bram_we <= 4'd0;

bram_addr <= bram_addr;

end

1: begin

bram_en <= 1'b0;

state <= 2;

end

2: begin

bram_rd_data <= BRAM_PORTB_dout;

state <= 3;

end

3: begin

bram_en <= 1'b1;

bram_we <= 4'hf;

bram_wr_data <= bram_rd_data + 2;

pl_bram_wr_done <= ~pl_bram_wr_done;

state <= 4;

end

4: begin

state <= 0;

bram_en <= 1'b0;

if(bram_addr == BRAM_ADDRESS_HIGH)

bram_addr <= 32'd0;

else

bram_addr <= bram_addr + 32'd4;

end

default: state <= 0;

endcase

end

assign BRAM_PORTB_en = bram_en;

assign BRAM_PORTB_we = bram_we;

assign BRAM_PORTB_rst = ~aresetn;

assign BRAM_PORTB_clk = FCLK_CLK0;

assign BRAM_PORTB_addr = bram_addr;

assign BRAM_PORTB_din = bram_wr_data;

assign GPIO_tri_i_1 = pl_bram_wr_done;

system system_i

(.BRAM_PORTB_addr(BRAM_PORTB_addr),

.BRAM_PORTB_clk(BRAM_PORTB_clk),

.BRAM_PORTB_din(BRAM_PORTB_din),

.BRAM_PORTB_dout(BRAM_PORTB_dout),

.BRAM_PORTB_en(BRAM_PORTB_en),

.BRAM_PORTB_rst(BRAM_PORTB_rst),

.BRAM_PORTB_we(BRAM_PORTB_we),

.DDR_addr(DDR_addr),

.DDR_ba(DDR_ba),

.DDR_cas_n(DDR_cas_n),

.DDR_ck_n(DDR_ck_n),

.DDR_ck_p(DDR_ck_p),

.DDR_cke(DDR_cke),

.DDR_cs_n(DDR_cs_n),

.DDR_dm(DDR_dm),

.DDR_dq(DDR_dq),

.DDR_dqs_n(DDR_dqs_n),

.DDR_dqs_p(DDR_dqs_p),

.DDR_odt(DDR_odt),

.DDR_ras_n(DDR_ras_n),

.DDR_reset_n(DDR_reset_n),

.DDR_we_n(DDR_we_n),

.FCLK_CLK0(FCLK_CLK0),

.FIXED_IO_ddr_vrn(FIXED_IO_ddr_vrn),

.FIXED_IO_ddr_vrp(FIXED_IO_ddr_vrp),

.FIXED_IO_mio(FIXED_IO_mio),

.FIXED_IO_ps_clk(FIXED_IO_ps_clk),

.FIXED_IO_ps_porb(FIXED_IO_ps_porb),

.FIXED_IO_ps_srstb(FIXED_IO_ps_srstb),

.GPIO_tri_i({GPIO_tri_i_1,GPIO_tri_i_0}),

.GPIO_tri_o({GPIO_tri_o_1,GPIO_tri_o_0}),

.GPIO_tri_t(),

.aresetn(aresetn));

19.4.1 BRAM读时序

BRAM读时序如下图所示。

19.4.2 BRAM写时序

BRAM写时序如下图所示。

19.5 PS程序设计

将提供例程中SDK工程的源文件复制，并粘贴到新建SDK工程。

19.5.1 main函数

main函数的完成的功能如下：

配置AXI GPIO及其中断；

初始化中断控制器及系统中断；

依次向BRAM所对应的地址写入1024个32位整型数据，每写入1个数据等待PL的读写完成中断来临后继续写入下一个；

依次从BRAM所对应的地址读出1024个32位整型数据，并判断是否被加了2，若比对不一致则报错。

19.5.2 GPIO输入输出

在main函数调用Gpiopl_init()函数初始化AXI GPIO，设置2个GPIO的方向，其中GPIO[0]为输出，GPIO[1]为输入。并将GPIO[0]置为0。每个GPIO的宏定义在gpiopl_intr.h中，如下所示。

#define PS_BRAM_MASK 0x00000001

#define PL_INTR_MASK 0x00000002

通过Gpiopl_Setup_Intr_System()初始化并使能AXI GPIO的输入中断，GPIO[1]的输入发生1次改变将触发1次中断，GpioplIntrHandler()为GPIO的中断函数。

GpioplIntrHandler()函数将PL读写BRAM完成中断标志位pl_bram_flag置1，该信号将在PS写入BRAM时使用。

19.5.3 BRAM数据写入

每一个循环PS向BRAM写入1024个32bit整型数据，每次循环后将下一次写入的1024个数据都加1。因此，第1次写入BRAM的数据为0~1023，第2次写入的为1~1024，第3次为2~1025，以此类推。BRAM写入通过如下函数完成：

Xil_Out32(XPAR_BRAM_0_BASEADDR + 4*i, write_data);

由于在ZYNQ中最小可寻址单元为字节，因此1个32位数据需占用4个地址，每次写入的地址都需要加4。

每次写入完成后，拉高GPIO0，通过如下代码完成：

XGpio_DiscreteWrite(&Gpio, 1, PS_BRAM_MASK);

然后，PS等待PL完成BRAM中该地址32bit数据的读写，PL翻转GPIO1使AXI GPIO产生中断，代码如下所示：

while(!pl_bram_flag);

pl_bram_flag = 0;

PL完成BRAM读写后，PS拉低GPIO0，通过如下代码完成：

XGpio_DiscreteWrite(&Gpio, 1, ~PS_BRAM_MASK);

循环1024次，完成1024个数据的写入。

19.5.4 BRAM数据读出

当PS完成1024个数据的写入，此时PL也完成了1024个数据的读出、加2、写入工作。因此，PS需要依次将1024个数据读出进行比对，验证PL给每个数据加2的正确性，因此，第1次读出的1024个数据应该为2~1025，第2次为3~1026，第3次为4~1027，以此类推。若比对出现不一致，则通过串口进行报错。代码如下：

for(i = 0; 4*i < (XPAR_BRAM_0_HIGHADDR - XPAR_BRAM_0_BASEADDR); i++)

{

read_data = Xil_In32(XPAR_BRAM_0_BASEADDR + 4*i);

//xil_printf("data at address %d is %d\r\n", 4*i, read_data);

/*compare data read form bram if they are add by 2*/

if(read_data != (i + j + 2))

xil_printf("error: data at address %d should be %d, but is %d\r\n", 4*i, (i + j + 2), read_data);

}

其中，可通过xil_printf("data at address %d is %d\r\n", 4*i, read_data);查看每一次从BRAM读出的数据的具体值，若无需使用则可注释掉。

19.6 程序测试

程序测试串口打印信息如下图所示。

第1次读出的1024个数据。

第2次读出的1024个数据。

第3次读出的1024个数据。

后面不作一一列举。

本课读写的速度相对较慢，读者可以尝试修改程序，实现批量数据的读写。

转载于:https://my.oschina.net/msxbo/blog/3100642