基于XDMA 中断模式的 PCIE 上位机与FPGA数据交互架构 提供工程源码和QT上位机源码

1、前言

PCIE（PCI Express）采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起 PCI 以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到 PCI 所不能提供的高带宽，是目前各行业高速接口的优先选择方向，具有很高的实用价值和学习价值；

本设计提供一种基于XDMA 中断模式的 PCIE 上位机与FPGA数据交互架构；该机构的主要作用如下：图中的箭头代表数据流向，数字代表数据流向的步骤；

QT上位机将电脑端的数据通过PCIE总线发送给FPGA开发板，FPGA侧的XDMA将PCIE发来的数据缓存至DDR3，缓存完成后，XDMA产生中断信号，该信号通过AXI-GPIO发送给FDMA，通知FDMA去DDR3中读取数据，FDMA得到中断通知后，读取DDR3中的数据给FPGA逻辑做数据处理，数据处理完成后再通过FDMA将处理完成的数据写回到DDR3中缓存，XDMA再从DDR3中读取处理好的数据送入PCIE总线发送给电脑端，电脑端QT软件再接收处理好的数据；

本设计使用Xilinx官方的XDMA方案搭建基于Xilinx系列FPGA的PCIE通信平台，电脑端QT实时截取主机屏幕图片，QT软件会将图片发送给PCIE总线，XDMA驱动将PCIE总线上的数据发送出去；FPGA开发板的 XDMA IP 核将接收到的图片数据缓存至 DDR3，并以中断方式通知用户将DDR3中缓存的图片数据读出， FDMA控制器收到 XDMA 发来的中断信号后将图片从 DDR3 中读出，然后做数据处理，出于简单考虑，这里的数据处理我们仅做数据回环，当然你可以做更加负责的处理，比如图像缩放、图像增强，图像识别等，处理完成后，FDMA再将数据写入DDR3中缓存，XDMA读取处理完毕后的数据再通过PCIE发送给电脑上位机，QT最后将处理完成后的图像显示出来；

本设计的关键在于我们编写了一个 xdma_inter.v 的XDMA中断模块。该模块用来配合驱动处理中断，xdma_inter.v 提供了AXI-LITE 接口，上位机通过访问 user 空间地址读写 xdma_inter.v 的寄存器。该 模块 在 user_irq_req_i 输入的中断位，寄存中断位号，并且输出给 XDMA IP ，当上位机的驱动响应中断的时候，在中断里面写 xdma_inter.v 的寄存器，清除已经处理的中断。

该方案只适用于Xilinx系列FPGA，一并提供了XDMA的安装驱动和QT上位机源代码，省去了使用XDMA繁琐的驱动寻找和上位机软件开发的不知所措，并以搭建好vivado工程，省去了不知道如何使用XDMA的尴尬，使得PCIE的使用变得简单易上手，而不用关心其复杂的PCIE协议；由于我的开发板只支持PCIE X8，所以提供的代码是PCIE X8架构，若需要PCIE X1、 X2、 X8、 X16、 X32的朋友，可自行修改本工程，也可关注我，我会实时发布新的工程。
本工程实现进阶应用的PCIE通信，和QT上位机之间进行图片传输试验。

本文详细描述了基于XDMA搭建PCIE通信平台的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的高速接口领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

2、我已有的PCIE方案

我的主页有PCIE通信专栏，该专栏基于XDMA的轮询模式实现与QT上位机的数据交互，既有基于RIFFA实现的PCIE方案，也有基于XDMA实现的PCIE方案；既有简单的数据交互、测速，也有应用级别的图像采集传输，以下是专栏地址：
点击直接前往
此外，我的主页有中断模式的PCIE通信专栏，该专栏基于XDMA的中断模式实现与QT上位机的数据交互，以下是专栏地址：点击直接前往

3、PCIE理论

这部分可自行百度或csdn或知乎学习理论知识，其实用了XDMA，已经不太需要直到PCIE复杂的协议和理论了。。。

4、总体设计思路和方案

总体设计思路和方案如下：图中的箭头代表数据流向，数字代表数据流向的步骤；

图像产生、发送、缓存

QT上位机实时截取电脑桌面的屏幕图片，我的电脑分辨率为1920X1080，QT软件会将图片发送给PCIE总线，XDMA驱动将PCIE总线上的数据发送出去；FPGA开发板的 XDMA IP 核将接收到的图片数据缓存至 DDR3，并以中断方式通知用户将DDR3中缓存的图片数据读出；这里的中断采用AXI-GPIO传递；

数据处理

出于简单考虑，这里的数据处理我们仅做数据回环，当然你可以做更加负责的处理，比如图像缩放、图像增强，图像识别等；代码如下：

XDMA简介

Xilinx 提供的 DMASubsystem for PCIExpressIP 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，XDMA框图如下：

AXI4、AXI4-Stream，必须选择一个，用于数据传输AXI4-Lite Master 可选，用于实现 PCIE BAR 地址到 AXI4-lite 寄存器地址的映射，可以用于读写用户逻辑寄存器。
AXI4-Lite Slave 可选，用来将 XDMA 内部寄存器开放给用户逻辑，用户逻辑可以通过此接口访问 XDMA 内部寄存器，不会映射到 BAR。
AXI4 Bypass 接口，可选，用来实现 PCIE 直通用户逻辑访问，可用于低延迟数据传输。

XDMA中断模式

本设计的关键在于我们编写了一个 xdma_inter.v 的XDMA中断模块。该模块用来配合驱动处理中断，xdma_inter.v 提供了AXI-LITE 接口，上位机通过访问 user 空间地址读写 xdma_inter.v 的寄存器。该 模块 在 user_irq_req_i 输入的中断位，寄存中断位号，并且输出给 XDMA IP ，当上位机的驱动响应中断的时候，在中断里面写 xdma_inter.v 的寄存器，清除已经处理的中断。
另外本方案中通过 AXI-BRAM 来演示用户 user 空间的读写访问测试。

图像读取、输出、显示

FDMA控制器收到 XDMA 发来的中断信号后将图片从 DDR3 中读出，然后将图像信息放入 VGA 时序的数据总线上形成 VGA 时序的视频流，在将视频流送入 HDMI 发送模块将 RGB 数据转换为 HDMI 差分数据通过 HDMI 线缆输出到显示器；VGA时序分辨率为1920X1080@60Hz；关于FDMA的详细设计说明，请参考我之前的文章：点击直接前往

QT上位机及其源码

QT上位机本方案使用 VS2015 + Qt 5.12.10 完成上位机开发软件环境搭建，QT程序调用XDMA官方API采用中断模式实现与FPGA的数据交互，本例程实现的是读写测速，提供QT上位机软件及其源码，路径如下：

QT源码部分截图如下：

5、vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx–xc7k325tffg900-2；
开发环境：Vivado2022.2；
输入：测试图片，QT上位机发送，分辨率为1920X1080；
输出：HDMI，分辨率为1920X1080@60Hz；
应用：QT上位机发送图像，FPGA接收显示试验；
工程BD如下：

XDMA需要设计中断数量，配置如下：

同时，XDMA中断模块的中断数量也设置为4，如下：

综合后的代码架构如下：

综合编译完成后的FPGA资源消耗和功耗预估如下：

6、上板调试验证

开启上位机测程序进行 PCIe 接收视频测试，打开QT软件，实验结果如下：

7、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：