XILINX PCIE DMA/Bridge Subsystem for PCI Express （XDMA）笔记

前段时间在公司项目中调试了PCIE，正好做一个总结，那些介绍XDMA、PCIE之类的多余的东西网上能搜到很多，我这里就不多说。我写的只是自己的一些想法，以及自己的设计思路。

同每一个刚开始调试PCIE的人一样，作为初学者大家都是先去网上搜集大量的资料学习，我也搜集了很多，看完之后其实还是有点泪崩，不知道怎么做。

在Vivado的IP Catalog中我们可以看到有三个可用于PCIE控制的IP核，其中第三个IP使用起来是最简单的，是将PCIE快速应用到项目中的最好的选择。

打开第三个IP核配置界面如下：

Mode： 配置模式， 选择 Advanced 高级配置

Lane Width：根据硬件选择支持 X1 、X2、X4

Max Link Speed： 选择 5.0GT/s 即 PCIE2.0

Reference Clock ： 100MHZ， 参考时钟 100M

DMA Interface Option： 接口选择 AXI4 Stream或者AXI，因为我的项目中接口不是AXI4接口，所以我选择了AXI4 Stream

AXI Data Width： 128bit， 即 AXI4 数据总线宽度为 128bit

AXI Clock ： 125M， 即 AXI4 接口时钟为 125MHZ（如果有125M和250M供选择的话，在带宽允许的情况下，建议选择125M的，可以避免综合实现后出现IP核内部时序不收敛的情况出现），我在项目调试的初期选用的250Mhz，整个工程搭好综合实现就出现了IP核内部时序问题，无赖只好降低时钟到125Mhz）

AXI-Lite Slave Interface：我们不勾选，因为XDMA的所有寄存器都由PS端配置，fpga用户逻辑这边不做任何的操作

PCIE ID配置里面的参数我们选择默认参数即可

PCIE BAR 配置，这个配置比较重要！！！

PCIE to AXI Lite Master Interface：不勾选 ， 我们不使用这个接口来访问用户逻辑，如果有人看过《PCIE_xdma教程_LINUX.pdf》这个pdf文档的话，应该知道这个文档里讲的是使用这个接口来进行访问用户逻辑，而不使用DMA Bypass 接口，我刚开始也是参照这个文档使用这个接口，但是后面在使用的时候发现了问题，这个接口的数据输出是经过XDMA内部过滤的，也就是说这个接口出来的地址并不是所有的都能给用户使用，有部分地址是用来对XDMA的寄存器配置使用的，容易造成用户地址和配置地址混合，如果用户地址只有几个十几个还好，要是有几十上百个的话，这个接口并不实用。

PCIE to DMA Bypass Interface：勾选上，我们用这个接口来访问用户逻辑，映射空间选择 1M基本够用， 当然用户也可以根据实际需要来自定义大小。

PCIE to AXI Translation： 这个设置比较重要， 通常情况下， 主机侧 PCIE BAR 地址与用户逻辑侧地址是不一样的， 这个设置就是进行 BAR 地址到 AXI 地址的转换， 比如主机一侧 BAR地址为 0， IP 里面转换设置为 0x80000000， 则主机访问 BAR 地址 0 转换到 AXI LIte 总线地址就是 0x80000000

在Ubuntu中对Bypass配置的命令是：./xdma_bypass 地址 类型  数据  

如果没有数据即为读操作，如果有数据则为写操作。地址根据类型来决定，为什么这么说呢，请看下面：

./xdma_bypass  0x0 w 0x12345678   (当类型为w时，表示是以word传输数据，32bit，地址只能是4的倍数)

./xdma_bypass  0x0 h 0x1234   (当类型为w时，表示是以半个word传输数据，16bit，地址只能是2的倍数)

./xdma_bypass  0x0 b 0x12   (当类型为w时，表示是以半个字节传输数据，8bit)

又因为数据是128bit，地址0~15，每个地址其实只有一个字节的数据：

./xdma_bypass   0   w 0x12345678，fpga用户收到的数据为：128'h00000000_00000000_00000000_12345678,地址为0

./xdma_bypass   4   w 0x23456789，fpga用户收到的数据为：128'h00000000_00000000_23456789_00000000,地址为4

./xdma_bypass   8   w 0x3456789a，fpga用户收到的数据为：128'h00000000_3456789a_00000000_00000000,地址为8

./xdma_bypass  12  w 0x456789ab，fpga用户收到的数据为：128'h456789ab_00000000_00000000_00000000,地址为12

./xdma_bypass  16  w 0x56789abc，fpga用户收到的数据为：128'h00000000_00000000_00000000_56789abc,地址为16

./xdma_bypass  3  b 0x56，fpga用户收到的数据为：128'h00000000_00000000_00000000_56000000,地址为3

./xdma_bypass  6  b 0x1256，fpga用户收到的数据为：128'h00000000_00000000_12560000_00000000,地址为6

上面这种数据传输方式可以自己去研究一下，我也是自己调试的时候看出来的现象。

PCIE 中断设置

User Interrupts： 用户中断， XDMA 提供 16 条中断线给用户逻辑， 这里面可以配置使用几条中断线。

Legacy Interrupt： XDMA 支持 Legacy 中断

选择 MSI 中断:注意： MSI 中断和 MSI-X 中断只能选择一个， 否则会报错， 如果选择了 MSI 中断， 则可以选择 Legacy 中断， 如果选择了 MSI-X 中断， 那么 MSI 必须取消选择， 同时 Legacy 也必须选择 None。 此 IP 对于 7 系列设置有这么个问题， 如果使用 Ultrascale 系列， 则可以全部选择
 

配置 DMA 相关内容

Number of DMA Read Channel（H2C） 和 Number of DMA Write Channel（C2H） 通道数：对于 PCIE2.0 来说最大只能选择 2， 也就是 XDMA 可以提供最多两个独立的写通道和两个独立的读通道， 独立的通道对于实际应用中有很大的作用， 在带宽允许的前提下， 一个 PCIE可以实现多种不同的传输功能， 并且互不影响。

Number of Request IDs for Read （Write） channel ： 这个是每个通道设置允许最大的outstanding 数量， 按照默认即可

打开xdma_0的源文件树，可以看到其内部有一个xdma0_pcie2_ip，双击打开这个xdma0_pcie2_ip可以看到就是7 Series Integrated Block for PCI Express IP，也就是说XDMA其实是将7 Series Integrated Block for PCI Express IP进行封装而产生的。如果使用7 Series Integrated Block for PCI Express IP进行PCIE开发我们就得自己编写剩下得其它模块。

一般来讲对于一个自己不太了解的IP核生成后，刚开始可能不太会使用，我一般产用的方法就是生成一个Example Design，

从example的工程中我们可以看到顶层就例化了两个模块，一个XDMA  IP核和一个xdma_app模块，xdma_app模块内部就是一个AXI4接口的RAM，用来存放DMA Bypass Interface接口用户寄存器的数据，通道0和通道1的数据h2c出来后直接回环到c2h，

我在第一次使用这个IP核的时候把IP核手册看完，都还是没有看明白h2c通道出来的数据流到底包含哪些信息，相信不止我一个人有这样的感觉，后来经过上板测试，才知道h2c通道出来的是只是纯数据流，所有的数据都是我们所需要的数据，往c2h通道灌输数据的时候也是直接灌数据就可以了，不需要组帧啥的。

 // Ref clock buffer
  IBUFDS_GTE2 refclk_ibuf (.O(sys_clk), .ODIV2(), .I(sys_clk_p), .CEB(1'b0), .IB(sys_clk_n));
  // Reset buffer
  IBUF   sys_reset_n_ibuf (.O(sys_rst_n_c), .I(sys_rst_n));
     


  // Core Top Level Wrapper
  xdma_0 xdma_0_i 
     (
      //---------------------------------------------------------------------------------------//
      //  PCI Express (pci_exp) Interface                                                      //
      //---------------------------------------------------------------------------------------//
      .sys_clk          ( sys_clk ),
      .sys_rst_n       ( sys_rst_n_c ),
      
      // Tx
      .pci_exp_txn     ( pci_exp_txn ),
      .pci_exp_txp     ( pci_exp_txp ),
      
      // Rx
      .pci_exp_rxn     ( pci_exp_rxn ),
      .pci_exp_rxp     ( pci_exp_rxp ),


       // CQ Bypass ports
      .m_axib_awid      (m_axib_awid),
      .m_axib_awaddr    (m_axib_awaddr),
      .m_axib_awlen     (m_axib_awlen),
      .m_axib_awsize    (m_axib_awsize),
      .m_axib_awburst   (m_axib_awburst),
      .m_axib_awprot    (m_axib_awprot),
      .m_axib_awvalid   (m_axib_awvalid),
      .m_axib_awready   (m_axib_awready),
      .m_axib_awlock    (m_axib_awlock),
      .m_axib_awcache   (m_axib_awcache),
      .m_axib_wdata     (m_axib_wdata),
      .m_axib_wstrb     (m_axib_wstrb),
      .m_axib_wlast     (m_axib_wlast),
      .m_axib_wvalid    (m_axib_wvalid),
      .m_axib_wready    (m_axib_wready),
      .m_axib_bid       (m_axib_bid),
      .m_axib_bresp     (m_axib_bresp),
      .m_axib_bvalid    (m_axib_bvalid),
      .m_axib_bready    (m_axib_bready),
      .m_axib_arid      (m_axib_arid),
      .m_axib_araddr    (m_axib_araddr),
      .m_axib_arlen     (m_axib_arlen),
      .m_axib_arsize    (m_axib_arsize),
      .m_axib_arburst   (m_axib_arburst),
      .m_axib_arprot    (m_axib_arprot),
      .m_axib_arvalid   (m_axib_arvalid),
      .m_axib_arready   (m_axib_arready),
      .m_axib_arlock    (m_axib_arlock),
      .m_axib_arcache   (m_axib_arcache),
      .m_axib_rid       (m_axib_rid),
      .m_axib_rdata     (m_axib_rdata),
      .m_axib_rresp     (m_axib_rresp),
      .m_axib_rlast     (m_axib_rlast),
      .m_axib_rvalid    (m_axib_rvalid),
      .m_axib_rready    (m_axib_rready),

      // AXI streaming ports
      .s_axis_c2h_tdata_0   (m_axis_h2c_tdata_0),
      .s_axis_c2h_tlast_0   (m_axis_h2c_tlast_0),
      .s_axis_c2h_tvalid_0  (m_axis_h2c_tvalid_0),
      .s_axis_c2h_tready_0  (m_axis_h2c_tready_0),
      .s_axis_c2h_tkeep_0   (m_axis_h2c_tkeep_0),
      .s_axis_c2h_tdata_1   (m_axis_h2c_tdata_1),
      .s_axis_c2h_tlast_1   (m_axis_h2c_tlast_1),
      .s_axis_c2h_tvalid_1  (m_axis_h2c_tvalid_1),
      .s_axis_c2h_tready_1  (m_axis_h2c_tready_1),
      .s_axis_c2h_tkeep_1   (m_axis_h2c_tkeep_1),
      .m_axis_h2c_tdata_0   (m_axis_h2c_tdata_0),
      .m_axis_h2c_tlast_0   (m_axis_h2c_tlast_0),
      .m_axis_h2c_tvalid_0  (m_axis_h2c_tvalid_0),
      .m_axis_h2c_tready_0  (m_axis_h2c_tready_0),
      .m_axis_h2c_tkeep_0   (m_axis_h2c_tkeep_0),
      .m_axis_h2c_tdata_1   (m_axis_h2c_tdata_1),
      .m_axis_h2c_tlast_1   (m_axis_h2c_tlast_1),
      .m_axis_h2c_tvalid_1  (m_axis_h2c_tvalid_1),
      .m_axis_h2c_tready_1  (m_axis_h2c_tready_1),
      .m_axis_h2c_tkeep_1   (m_axis_h2c_tkeep_1),



      .usr_irq_req       (usr_irq_req),
      .usr_irq_ack       (usr_irq_ack),
      .msi_enable        (msi_enable),
      .msi_vector_width  (msi_vector_width),




      //-- AXI Global
      .axi_aclk        ( user_clk ),
      .axi_aresetn     ( user_resetn ),
      .user_lnk_up     ( user_lnk_up )
    );

example工程自带有仿真，我们可以使用Vivado自带的仿真工程仿真。

如果仔细分析仿真工程我们可以看到在pci_exp_usrapp_tx模块中用task封装了很多类型的PCIE数据包，有TSK_TX_TYPE0_CONFIGURATION_READ、TSK_TX_TYPE1_CONFIGURATION_READ、TSK_TX_TYPE0_CONFIGURATION_WRITE、TSK_TX_TYPE1_CONFIGURATION_WRITE、TSK_TX_MEMORY_READ_64、TSK_TX_MEMORY_WRITE_32。。。。。等等，基本上所有的PCIE数据包都在这里面，想了解的自己可以去细看，仿真的切入点是在sample_tests.vh文件中，在该文件中有很多testcase，在不同的testcase中调用相应的TSK发送相应的PCIE数据包，默认仿真testcase是dma_test0，如果想看懂仿真平台，这部分代码得去细看，这里我就不做详细描述了，，，，

看懂上面得仿真平台基本上也就知道在Ubuntu中是如何配置XDMA，关于寄存器的配置，等有时间再补充。。。。。

另外：

经过测试DMA目前最大只能传输8Mbytes数据，如果要传输大于8Mbytes数据则需要多次传输，

 

 

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