基于xilinx vivado的XDMA IP的使用详解

1 概述

本文是关于XDMA ip的使用详解，主要从ip的设置与使用两方面介绍。

2 参考文档

《pg195-pcie-dma》

《04_Kintex FPGA 修炼秘籍PCIE高级篇XDMA WIN64 版本(B) MK7325FA》

3 XDMA简述

Xilinx 提供的DMA Subsystem for PCIExpress IP是一个高性能，可配置的适用于PCIE2.0， PCIE3.0 的SG 模式 DMA，提供用户可选择的 AXI4 接口或者 AXI4-Stream接口。一般情况下配置成 AXI4 接口可以加入到系统总线互联，适用于大数据量异步传输，通常情况都会使用到 DDR， AXI4-Stream 接口适用于低延迟数据流传输。

XDMA 是SGDMA，并非Block DMA， SG 模式下，主机会把要传输的数据组成链表的形式，然后将链表首地址通过BAR 传送给XDMA， XDMA 会根据链表结构首地址依次完成链表所指定的传输任务。

图 1 DMA/Bridge Subsystem for PCI Express Overview

4 XDMA的IP配置

4.1 IP设置第1页速率与接口选择

图 2 IP设置第1页

第1页主要设置以下选项：

1. Mode：配置模式，选择 Advanced 高级配置；

2.    Lane Width： MK7325FA支持X8；
   

3.    Max Link Speed：选择5.0GT/s 即PCIE2.0；
   

4.    Reference Clock ： 100MHZ，参考时钟 100M；
   

5. DMA Interface Option：接口选择 AXI4 接口；

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

7.    AXI Clock ： 250M，即AXI4 接口时钟为250MHZ；
   

由上图可以看出，PCIE的设置速率与用户逻辑侧的AXI速率是一致的。PCIE侧的速率：8lane*5GT=40GTbit/s;

逻辑侧的AXI速率：128bit*250M=3200Mbit/s * (10B/8B) =40GTbit/s；

注意：

1.    AXI Memory Mapped模式：主要是用于带存储的系统中，即有地址之分时；
   

2.    AXI Stream模式：是用于没有地址的系统中，纯粹传输数据只用。
   

4.2 IP设置第2页PCIE ID

图 3 IP第2页设置

第2页设置是PCIE ID相关设置，若只使用一张PCIE，则本页可以默认，不做修改。

4.3 IP设置第3页 PCIE BARS

图 4 IP第3页设置

第3页是PCIE BAR设置，这里的设置比较重要。

首先使能 PCIE to AXI Lite Master Interface ，这样可以在主机一侧通过PCIE 来访问用户逻辑侧寄存器或者其他AXI4-Lite 总线设备映射空间选择 1M，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；

PCIE to DMA Interface ：选择64bit 使能DMA Bypass 暂时不用；

这里的设置的PCIE to AXI Lite Master Interface也是主机一侧检测的BAR 0空间。

4.4 IP设置第4页中断设置

图 5 IP第4页设置

终端设置主要如下：

1. 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；

2. Legacy Interrupt： XDMA 支持 Legacy 中断；

3. 选择 MSI 中断与MSI-X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。

注意：

1. 对PCIE来说只有三种中断：MSI-X、MSI、Legacy。而user interruput是逻辑侧的控制中断口。

2. 中断优先级为：MSI-X>MSI>Legacy;

3. 在申请中断时req需要一直保持为高，直到响应ack来了后，才能拉低，然后进行下一次申请；

4. 由于逻辑侧的中断与主机侧的中断是通过优先级来对应的，因此同一时刻只有一种中断。

4.5 中断时序

由4.4 章节可以知道XDMA有MSI-X、MSI、Legacy三种中断，且每一种中断对于逻辑侧来说都是用usr_irq_req来请求。其请求时序如下图所示：

图 6 用户中断的时序关系

图 7 中断时序关系

4.6 IP****设置第5页 PCIE DMA

图 8 IP第5页设置

第5页主要设置如下：

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，在带宽允许的前提前，一个PCIE 可以实现多种不同的传输功能，并且互不影响。

注意：多通道时在AXI Stream模式下影响很明显，在AXI Stream模式下选择多通道，可以连接不同的数据源。在AXI Memory Mapped模式下影响不大。

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

5 主机中的BAR空间与XDMA的接口对应关系

图 9 BAR与调用XDMA接口的关系

6 Example Design

以下是一些不同模式下的数据连接实例：

7 设计实例

本设计采用PCIE GEN2 X8直接读写DDR3中的数据，且可以通过Axi_lite接口上报一些状态信息。设计时是BD建立，其设计如下所示：

图 10 XDMA的实例

注意：

在使用BD建立XDMA时需要注意地址空间的配置，地址空间配置不能为空，必须配置。本例配置情况如下：

图 11 地址配置空间