ZedBoard--（5）嵌入式Linux下的DMA测试（Direct Register Mode）（PS + PL）

ZedBorad–（5）嵌入式Linux下的DMA测试（PS+PL）

本文将详细介绍如何在ZedBorad上使用AXI接口的DMA IP核。（文末会给出测试代码的下载链接）

DDR控制器、AXI DMA控制器以及PS之间的互连关系如下图所示。



DDR控制器已经包含在PS中，而AXI DMA和数据FIFO是需要我们自己在PL中实现的。由图可知，处理器使用AXI-Lite总线和DMA、DDR控制器进行交互。AXI_MM2S和AXI_S2MM为DDR和DMA之间的交互提供了通道。

MM2S即Memory-Mapped to Streaming

若DMA使用Scatter-Gather模式，DMA和DDR内存控制器之间会有多一条AXI总线（简洁起见，图中省略）

【注意】本文默认读者已经熟悉Vivado、Xilinx SDK的基本使用方法。

硬件部分

下面开始介绍如何在ZedBorad上利用PS和PL实现DMA。

（1）新建Vivado工程，选择Create Block Design，从IP Catalog添加ZYNQ7 Processing System，然后点击Run Block Automation，确认Apply Board Perset前面的勾是勾上的。如下俩图所示。





（2）双击刚刚添加的ZNYQ7 PS，出现Re-Customize的窗口。左侧点击Clock Configuration，右侧展开PL Fabric Clocks，按下图设置。



（3）左侧继续点击PS-PL Configuration，右侧打开GP Master AXI Interface，按下图设置。



（4）然后点击OK，完成后PS变成这样：



（5）我们需要在此基础上连一根线，如下图所示。



（6）从IP Catalog添加AXI Direct Memory Access，然后点击Run Connection Automation，选择/axi_dma_0/S_AXI_LITE，如下图所示。弹出的窗口直接点OK。



这时整个系统的模块连接图应该是这样的：



双击DMA模块，打开配置窗口，去掉Enable Scatter Gather Engine前面的勾。

（7）然后我们需要将DMA的M_AXI_SG、M_AXI_MM2S和M_AXI_S2MM总线与PS的AXI slave接口相连。因为目前PS没有这些接口，因此双击PS进行Re-Customize，左侧点击PS-PL Configuration，右侧打开HP Slave AXI Interface，按下图配置后点击OK。



（8）回到Block Design后，点击Run Connection Automation，选择/processing_system7_0/S_AXI_HP0，如下图所示。



在弹出的对话框中，确保接连接的是DMA，如下图所示。



（9）继续点击Run Connection Automation，选择/axi_dma/M_AXI_SG；完了之后再点击Run Connection Automation，选择/axi_dma/M_AXI_S2MM。

（10）接下来，从IP Catalog中添加AXI4-Stream Data FIFO，按下面4张图进行连接。









（11）由于本设计不需要AXI-Streaming的状态和控制信息，因此需要把它们去掉。双击AXI DMA模块，将Enable Control / Status Stream前面的勾去掉。

（12）接下来需要将DMA的中断信号连接到PS。双击PS，左侧点击Interrupts，按下图配置。



然后从IP Catalog中添加Concat模块，并按照下面3张图片进行连接。







（13）至此，硬件连接完毕。在菜单Tools中点击Validate Design。



如果前面操作正确，将弹出对话框提示成功，如下图所示。



（14）可以点击Regenerate Layout按钮，重新布局一下连接，如下图所示。



完了整个电路图长这样：



（15）调整过走线之后，保存Block Design，并在其上右击选择Create HDL Wrapper，如下俩图所示。





之后就可以生成比特流了，完了之后将工程Export到SDK。菜单File选择Export，如下面几张图所示。





菜单File中选择Launch SDK，如下图所示。

软件部分

经过一长串步骤之后终于转到了SDK。从Vivado转到SDK之后，左边Project Explorer下的design_x_wrapper_hw_platform就是上面Export的硬件。

由于本历程需要在嵌入式Linux下运行，因此首先应该生成BOOT.BIN文件。生成BOOT.BIN的方法在上一篇博客中有介绍：ZedBoard–（4）嵌入式Linux下的LED实验（PS + PL）

然后从File菜单中新建Application Project，如下图所示。



输入工程名字，Hardware Platform选择从Vivado导出的硬件平台；OS Platform选择standalone；BSP选择Create New。点击Next，如下图所示。



选择Hello World，如下图所示。



展开C/C++工程底下的src文件夹，在helloworld.c中输入测试代码：

/**
* Using AXI Direct Memory Access v7.1
* Direct Register Mode
*
* Author:  ZMJ@CSE, SEU
* Date:    2016-07-12
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <sys/mman.h>

#define DMA_BASE_ADDR   0x40400000      // Phy. address of axi dma
#define DMA_TX_ADDR     0x0F000000      // Phy. address of TX buffer
#define DMA_RX_ADDR     0x0F800000      // Phy. address of RX buffer

// Direct Register Mode Register Address
#define MM2S_DMACR      0x00        // MM2S DMA Control Register
#define MM2S_DMASR      0x04        // MM2S DMA Status Register
#define MM2S_SA         0x18        // MM2S DMA Source Address Register
#define MM2S_LENGTH     0x28        // MM2S DMA Transfer Length Register
#define S2MM_DMACR      0x30        // S2MM DMA Control Register
#define S2MM_DMASR      0x34        // S2MM DMA Status Register
#define S2MM_DA         0x48        // S2MM DMA Destination Address Register
#define S2MM_LENGTH     0x58        // S2MM DMA Buffer Length Register

// Shared Memory Settings
#define TX_PKT_SIZE     0x7FFFFF    // Size of TX Packet(0~0x7FFFFF)
#define RX_PKT_SIZE     0x7FFFFF    // Size of RX Packet(0~0x7FFFFF)

typedef unsigned int u32;

u32* axidma_base;           // A pointer to axidma base address.
u32* tx_packet;             // A pointer to tx buffer area.
u32* rx_packet;             // A pointer to rx buffer area.

void dma_set(u32* addr, int offset, u32 value);
u32 dma_get(u32* addr, int offset);
void memoryMap(int fd);     // Memory map from physical address to logical address
void initDMAReg();          // Initialize AXI DMA's register.
void startTransfer();       // Start DMA transfer.
void waitDMA();             // Wait until current transfer ends.
void dma_status();          // Print status of MM2S and S2MM channels.
void check();               // Check DMA result.

int main()
{
// Open /dev/mem which represents the whole physical memory.
int fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);

memoryMap(fd);      // Memory map from physical address to logical address
initDMAReg();       // Initialize AXI DMA's register.

// Test 1
printf("\nSimple DMA Test 1:\n");
int i;
for (i = 0; i < TX_PKT_SIZE / 4; i++) tx_packet[i]= i;
startTransfer();    // Start DMA transfer.
waitDMA();          // Wait until current transfer ends.
dma_status();       // Print status of MM2S and S2MM channels.
check();            // Check DMA result.

// Test 2
printf("\nSimple DMA Test 2:\n");
memset(tx_packet, 0, TX_PKT_SIZE);
memset(rx_packet, 0, RX_PKT_SIZE);
for (i = 0; i < TX_PKT_SIZE / 4; i++) tx_packet[i]= i;
startTransfer();    // Start DMA transfer.
waitDMA();          // Wait until current transfer ends.
dma_status();       // Print status of MM2S and S2MM channels.
check();            // Check DMA result.

// Test 3
printf("\nSimple DMA Test 3:\n");
memset(tx_packet, 0, TX_PKT_SIZE);
memset(rx_packet, 0, RX_PKT_SIZE);
for (i = 0; i < TX_PKT_SIZE / 4; i++) tx_packet[i]= i;
startTransfer();    // Start DMA transfer.
waitDMA();          // Wait until current transfer ends.
dma_status();       // Print status of MM2S and S2MM channels.
check();            // Check DMA result.

close(fd);

return 0;
}

【注意】完整的测试代码将在文末给出。

然后有几个地方需要设置一下：

（1）选中刚刚新建的C/C++工程，右键Property，展开C/C++ Build下的Tool Chain Editior，右边的Current toolchain选择Xilinx ARM GNU/Linux Toolchain，并且确保Used Tools和下图一致（如果缺少工具，需要点击Select Tools按钮添加）。设置完之后，将src文件夹下除测试的.c/.cpp文件以外的其他源文件删除。



（2）展开C/C++ Build，点Settings，在Binary Parsers里面，只勾上Xilinx ARM Linux ELF，如下图所示：



（3）检查一下C/C++ General下的Paths and Symbols右边的Libraries和Library Paths。对于本文提供的测试程序，这两个标签页下面应该为空（若不为空，请将原有的内容删除）。读者需要根据自身项目的实际情况添加Library并设置其路径，例如如果需要使用pthread.h的头文件，直接在Libraries下添加pthread的库即可（无需手动添加路径），如下图所示。



设置无误后，Ctrl + B将工程Build一下，如果没有错误将生成.elf的可执行文件。将.elf文件拷贝到SD卡中，在Linux下执行。程序执行时，读者可以在串口看到程序输出的信息。

SDK默认控制台不接收串口信息，所以需要设置一下（如果不想设置，可以打开第三方串口调试助手查看程序输出）。

设置方法如下：

（1）选中新建的Application Project，右键点击Properties。点击Run/Debug Settings，选中右边的.elf，点击Edit按钮，如下图所示：



（2）点击STDIO Connection选项卡，点击Connect STDIO to Console的复选框，设置好开发板所在的串口以及波特率，点击OK即可。如下图所示：



设置完成之后，读者就可以在控制台看到来自开发板的串口信息了。

参考资料

Using the AXI DMA in Vivado

Xilinx PG021

资源下载

AXI DMA测试Vivado工程，含XSDK FSBL Project和Application Project

基于ZedBoard的AXI DMA测试代码

Xilinx官方AXI DMA技术文档（PG021）