pynq-z2 初识(六) PS/PL 接口

学习于 PYNQ官方文档

PS/PL接口

Zynq在PS和PL之间有9个AXI接口，在PL端有4个AXI主HP(高性能)端口、2个AXI GP(通用)端口、2个AXI从GP端口和1个AXI主ACP端口。PS端中还有连接到PL的GPIO控制器。

这是pynq的四个类，用来管理PS端和PL端的数据移动

• GPIO - General Purpose Input/Output
• MMIO - Memory Mapped IO
• allocate - Memory allocation
• DMA - Direct Memory Access

类的使用取决于IP链接的Zynq的PS接口以及IP的接口。

PS GPIO

从Zynq PS到PL有 64GPIO(wires)
来自PS端的PS GPIO线可以实现PS端和PL端之间的简单通信，如重置、中断等控制信号。

IP不需要映射到系统内存映射中就能连接到GPIO。

在使用中， GPIO class控制PS GPIO，但是注意控制AXI GPIO的类不是GPIO class而是AxiGPIO

简单示例

PS GPIO需要在overlay中连接到什么东西才能使用，如

from pynq import GPIO

output = GPIO(GPIO.get_gpio_pin(0), 'out')
input = GPIO(GPIO.get_gpio_pin(1), 'in')

output.write(0)
input.read()

实现了对两个口进行out or in的定义并进行读和写。

MMIO

任何连接到AXI slave GP端口的IP都将映射到系统内存映射中。
MMIO可以被读取/写入一个内存映射位置。
MMIO读或写命令是一个单独的用于向内存位置或从内存位置传输32位数据的指令。
由于突发指令不被支持，MMIO最适合读写少量的数据 to/from IP连接到AXI Slave GP端口。

在一个overlay中，连接到AXI General Purpose ports的外设的寄存器或地址空间会被映射到系统内存中。
通过在python中使用MMIO类可以访问任意IP的寄存器或地址空间。

MMIO提供了一种简单但功能强大的访问和控制外围设备的方法。对于具有少量内存访问的简单外设，或者性能不是很关键的地方，MMIO对于大多数开发人员来说通常已经足够了。
如果性能非常关键，或者需要在PS和PL之间传输大量数据，那么使用Zynq HP接口和DMA IP和PYNQ DMA类可能更合适。

示例

将数据写入一个IP然后从同一个地址读取

IP_BASE_ADDRESS = 0x40000000
ADDRESS_RANGE = 0x1000
ADDRESS_OFFSET = 0x10

from pynq import MMIO
mmio = MMIO(IP_BASE_ADDRESS, ADDRESS_RANGE)

data = 0xdeadbeef
mmio.write(ADDRESS_OFFSET, data)
result = mmio.read(ADDRESS_OFFSET)

allocate

在IP访问内存之前，必须先分配内存。allocate 能够允许分配内存缓冲区。allocate函数可以分配允许在PS和PL之间高效地传输数据连续的内存缓冲区。
在PS上的Linux中上运行的Python或其他代码可以直接访问内存缓冲区。

由于PYNQ在运行Linux，缓冲区将存在于Linux虚拟内存中。
Zynq AXI slave端口允许overlay中的axis -master IP访问物理内存。
返回的numpy数组也可以提供缓冲区的物理内存指针，在overlay中可以被发送给一个IP。

物理地址存储在已分配内存缓冲区实例的device_address属性中。
同一个overlay中的IP可以使用物理地址访问相同的缓冲区。

allocate函数

pynq.allocate函数是用来分配将被IP使用的内存

连接到AXI Master(HP or ACP ports)的IP能够访问PS DRAM。在PL中的IP访问DRAM前，一些内存必须被分配以便IP使用（讲size，address发送给IP）。

Python中的数组将被分配到虚拟内存的某个位置。被分配的物理内存地址必须被提供给PL中的IP。

pynq.allocate分配物理上连续的内存并返回一个pynq.Buffer对象，表示已分配的缓冲区。
缓冲区是一个numpy数组，它还提供了一个.device_address属性，其中包含用于与IP一起使用的物理地址。
为了向后兼容，仍然提供.physical_address属性

allocate函数使用与numpy相同的signature。允许在PYNQ中使用numpy支持的任何形状和数据类型。

Buffer

Buffer对象返回一个numpy.ndarray的子类，包含额外的适用于PL的属性和方法。

• device_address 是需要被传递给PL以便其访问buffer的地址
• coherent 如果buffer是PS和PL间的高速一致缓存，那么它就为True
• flush 刷新非相干或镜像缓冲区，确保PS的任何更改对PL可见
• invalidate 使非一致或镜像缓冲区失效，确保PL的任何更改对PS可见
• sync_to_device ——flush的别名
• sync_from_device ——invalidate的别名

示例

### Create a contiguous array of 5 32-bit unsigned integers

from pynq import allocate
input_buffer = allocate(shape=(5,), dtype='u4')

### device_address property of the buffer

input_buffer.device_address

### Writing data to the buffer:

input_buffer[:] = range(5)

### Flushing the buffer to ensure the updated data is visible to the programmable logic:

input_buffer.flush()

DMA

AXI流接口通常用于高性能流应用程序。AXI流可以通过DMA与Zynq AXI HP端口一起使用。

pynq DMA类支持AXI直接内存访问IP。
这允许从DRAM读取数据并发送到AXI流，或者从流接收数据并写入DRAM。

DMA有一个AXI lite控制接口，和一个读写通道，它由一个访问内存位置的AXI主端口和一个连接到IP的流端口组成。
读通道将从PS DRAM读取，并写入一个流。写通道将从流中读取，然后写回PS DRAM。

DMA希望任何连接到DMA(写通道)的流IP在指令完成时set AXI TLAST信号。如果没有set，DMA将永远不会完成指令。这在使用HLS生成IP时很重要——TLAST信号必须在C代码中设置。

示例

假设overlay包含一个AXI直接内存访问IP，带有一个读通道(来自DRAM)和一个AXI主流接口(用于输出流)，另一个带有一个写通道(用于DRAM)和一个AXI从流接口(用于输入流)。

在Python代码中，使用allocate创建了两个连续的内存缓冲区。DMA将读取input_buffer并将数据发送到AXI流主服务器。DMA将从AXI流从写入到output_buffer。

AXI流在lookback中连接，这样在通过DMA发送和接收数据之后，输入缓冲区的内容将被转移到输出缓冲区。

import numpy as np
from pynq import allocate
from pynq import Overlay

overlay = Overlay('example.bit')
dma = overlay.axi_dma

input_buffer = allocate(shape=(5,), dtype=np.uint32)
output_buffer = allocate(shape=(5,), dtype=np.uint32)

### 向数组写入数据
for i in range(5):
   input_buffer[i] = i
### 传递input buffer并从DMA的output buffer读取
dma.sendchannel.transfer(input_buffer)
dma.recvchannel.transfer(output_buffer)
dma.sendchannel.wait()
dma.recvchannel.wait()
### wait()方法确保DMA的transaction能够完成

Interrupt

在python环境中，有一些专用的中断与异步事件链接。为了集成到PYNQ框架中，专用的中断必须附加到一个AXI中断控制器上，而这个控制器又附加到处理系统的第一个中断行上。如果需要超过32个中断，那么AXI中断控制器可以级联。这种安排让其他中断自由的IP不受PYNQ直接控制，如SDSoC加速器。
中断由Interrupt类管理，实现构建在asyncio (Python标准库的一部分)之上。

Interrupt类表示block design中的单个中断针。它通过使用一个等待函数来模仿python事件，该函数阻塞直到中断被引发。

当中断被清除时，事件将被自动清除。

只有当线程或协同程序在等待相应的事件时，中断才被启用。使用中断的推荐方法是在循环中等待，在恢复等待之前检查和清除IP中的中断寄存器。例如，AxiGPIO类使用这种方法等待出现所需的值。

简单示例

class AxiGPIO(DefaultIP):
    # Rest of class definition

    def wait_for_level(self, value):
        while self.read() != value:
            self._interrupt.wait()
            # Clear interrupt
            self._mmio.write(IP_ISR, 0x1)