Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem

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2. Design File：Post-synthesis EDIF netlist or RTL Source
3. Timing and layout constraints，Test or Design Example Project
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1 介绍
基于PCI Express Integrated Block，Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem实现了基于DMA地址队列的高性能Continous或Scather Gather DMA，提供FIFO/AXI4-Stream用户接口。
1.1 特性
 支持Ultrascale+，Ultrascale，7 Series的PCI Express Integrated Block
 支持64，128，256，512-bit数据路径
 64-bit源地址，目的地址，和描述符地址
 多达16个host-to-card（H2C/Read）数据通道或H2C DMA
 多达16个card-to-host（C2H/Write）数据通道或C2H DMA
 FIFO/ AXI4-Stream用户接口（每个通道都有自己的FIFO/AXI4-Stream接口）
 每个DMA引擎支持DMA地址队列，队列深度可达32
 AXI4-Lite Master接口允许PCIe通信绕过DMA引擎
 Scather Gather描述符列表支持无限列表大小
 每个描述符的最大传输长度为4GB
 MSI中断
 连续描述符的块获取
 中断或查询模式
1.2 应用
本内核体系结构支持广泛的计算和通信目标程序应用，强调性能、成本、可扩展性、功能可扩展性和关键任务可靠性。典型应用包括：
● 数据通信网络
● 电信网络
● 宽带有线和无线应用
● 网络接口卡
● 用于各种应用程序的服务器add-in card
典型应用如下图所示：

图 1 Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem典型应用：8通道视频采集和视频显示
2 概述
Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem作为一个高性能DMA数据搬移器，内核通过AXI4-Stream接口直接连接RTL逻辑。使用提供的字符驱动程序，AXI4-Stream接口可用于PCIe地址空间和AXI地址空间之间的高性能数据搬移。除了基本的DMA功能，DMA支持多达16个upstream和downstream通道，每个通道支持深度为32的DMA地址队列，另外还允许PCIe通信绕过DMA引擎。

图 2 Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem概述
2.1 特性概要
基于描述符提供的信息：源地址，目的地址和传输数据长度，Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem实现Host存储器和PCIe DMA子系统之间的数据搬移。这些DMA可以同时是Host to Card（H2C）和Card to Host（C2H）传输。每个DMA通道对应各自的AX4-Stream接口，DMA从Host存储器获取并解析描述符链表，基于描述符链表信息完成自己通道的数据传输，然后使用MSI中断发出描述符完成或错误的信令。内核也提供多达16个输出到Host的用户中断信号。
主机可以通过以下2个接口访问用户逻辑：
 AXI-Lite Master配置接口：这个接口是一个固定的32-bit端口，用于对性能要求不高的用户配置和状态寄存器的访问
 User Register：这个接口是多个32-bit向量信号和1-bit信号，这些信号来自对应DMA通道数据搬移过程中产生的控制或状态信号
3 产品规格
结合Integrated Block for PCI Express IP，Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem为PCIe提供了一个高性能的DMA解决方案。
3.1 性能
Endpoint配置参数：Max Payload Size=256-byte，Max Read Request Size=512-byte
8-Channel PCIe-SGQDMA Subsystem，DMA Transfer Length = 4MB
表1 PCIe 3.0 x16 C2H DMA速率
DMA0 DMA1 DMA2 DMA3 DMA4 DMA5 DMA6 DMA7
速率 1660MB/s 1660MB/s 1660MB/s 1660MB/s 1660MB/s 1660MB/s 1660MB/s 1660MB/s
表2 PCIe 3.0 x16 H2C DMA速率
DMA0 DMA1 DMA2 DMA3 DMA4 DMA5 DMA6 DMA7
速率 1670MB/s 1670MB/s 1670MB/s 1670MB/s 1670MB/s 1670MB/s 1670MB/s 1670MB/s
表3 PCIe 3.0 x8 C2H DMA速率
DMA0 DMA1 DMA2 DMA3 DMA4 DMA5 DMA6 DMA7
速率 880MB/s 880MB/s 880MB/s 880MB/s 880MB/s 880MB/s 880MB/s 880MB/s
表4 PCIe 3.0 x8 H2C DMA速率
DMA0 DMA1 DMA2 DMA3 DMA4 DMA5 DMA6 DMA7
速率 890MB/s 890MB/s 890MB/s 890MB/s 890MB/s 890MB/s 890MB/s 890MB/s
表5 PCIe 2.0 x8 C2H DMA速率
DMA0 DMA1 DMA2 DMA3 DMA4 DMA5 DMA6 DMA7
速率 450MB/s 450MB/s 450MB/s 450MB/s 450MB/s 450MB/s 450MB/s 450MB/s
表6 PCIe 2.0 x8 H2C DMA速率
DMA0 DMA1 DMA2 DMA3 DMA4 DMA5 DMA6 DMA7
速率 455MB/s 455MB/s 455MB/s 455MB/s 455MB/s 455MB/s 455MB/s 455MB/s

3.2 资源
8-Channel PCIe-SGQDMA Subsystem
表7 PCIe 3.0 x16 DMA Subsystem资源
LUTs FFs BRAMs PCIe
资源 46985 101938 150 1
表8 PCIe 3.0 x8 DMA Subsystem资源
LUTs FFs BRAMs PCIe
资源 26388 51935 78 1
表9 PCIe 2.0 x8 DMA Subsystem资源
LUTs FFs BRAMs PCIe
资源 26945 38687 55 1

8-Channel PCIe-CQDMA Subsystem
表10 PCIe 3.0 x16 DMA Subsystem资源
LUTs FFs BRAMs PCIe
资源 34976 75994 150 1
表11 PCIe 3.0 x8 DMA Subsystem资源
LUTs FFs BRAMs PCIe
资源 19364 37487 78 1
表12 PCIe 2.0 x8 DMA Subsystem资源
LUTs FFs BRAMs PCIe
资源 20973 29963 55 1

3.3 内核Component
内核内部实现多达32个独立的物理DMA引擎（多达16个C2H和16个H2C）。这些DMA引擎被映射到各自的AXI4-Stream用户应用接口。AXI4-Stream接口只传递数据。
通道的类型配置决定了在哪个总线上进行事务传输。
 Host-to-Card（H2C）通道向PCIe产生读请求，然后给用户应用提供数据
 同样，Card-to-Host（C2H）通道等待用户侧的数据，然后向PCIe产生写请求（包含接收到的数据）
Host通过AXI4-Lite Master接口访问用户逻辑的配置和状态寄存器。这些请求是32-bit的读或写。
3.3.1 Target Bridge
Target bridge从Host接收请求。基于BARs，这些请求通过AXI4-Lite Master接口传递到内部的目标用户。下行用户逻辑返回non-post请求的数据后，target bridge产生一个读返回TLP，然后通过CC总线发送给PCIe IP。
PCIe BARs配置如下表所示。
表13 32-bit BARs
BAR0(32-bit) BAR1(32-bit)
DMA PCIe to AXI4-Lite Master
3.3.2 H2C通道
H2C通道处理host-to-card的DMA传输。根据最大读请求大小和可用的内部资源，H2C通道负责拆分这些读请求。读取请求的每个拆分（如果有）都会消耗一条额外的读取请求条目。DMA通道向PCIe RQ模块发出读请求后，直到按顺序接收到用户接口的写完成确认，这个读请求才算完成。在数据传输完成后，DMA通道向Host发出一个中断。
H2C通道会根据配置的最大读请求大小和数据FIFO可用空间来拆分Host读接口上的数据传输。从PCIe RC模块输出的读请求返回完成数据包会存储到已分配的数据FIFO中。为了减少数据传输延时，一旦接收到任何一个完成数据包，H2C通道就开始把读取的数据输出到AXI4-Stream Write接口。
3.3.3 C2H通道
C2H通道处理card-to-host的DMA传输。在AXI4-Stream Read接口接收数据之前，C2H通道首先接收DMA描述符，建立DMA传输的环境，然后在准备好请求ID和启用C2H通道后，通道的AXI4-Stream接口可以接收数据并对主机执行DMA。在数据传输完成后，DMA通道向Host发出一个中断。
3.3.4 AXI4-Lite Master
Host使用这个接口向用户逻辑发出32-bit读和32-bit写请求。通过PCIe总线接收读或者写请求，路由到AXI-Lite Master BAR中，target bridge通过PCIe IP CC总线返回读取的完成数据。
3.3.5 IRQ Module
IRQ module接收来自用户逻辑中断请求和每个DMA通道的独立中断线。这个模块通过PCIe向Host产生MSI中断。
3.3.6 DMA操作
从DMA的原理出发，PCIe DMA引擎通常在Host内存和驻留在FPGA中的内存之间搬移数据，FPGA的内存通常（但不总是）位于add-in板卡。当数据从Host内存搬移到FPGA内存时，称为Host to Card（H2C）传输。相反，当数据从FPGA内存搬移到Host内存，称为Card to Host（C2H）传输。
在通常的操作中，Host中的应用程序必须在FPGA和Host内存之间搬移数据。为了完成此次传输，Host在系统内存中设置缓冲区空间，并创建DMA引擎用于搬移数据的描述符。
Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem使用连续的描述符链表，单个描述符指定了地址和DMA传输长度。Host驱动创建描述符链表，并存储在Host内存。Host驱动只需要少量控制寄存器就可以初始化DMA通道，接着该DMA通道就开始去获取描述符链表并执行DMA操作。
描述符描述了Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem执行的内存传输。每个DMA通道有自己的描述符链表。Host驱动通过硬件寄存器初始化每个DMA通道描述符链表的起始地址。在启动DMA通道后，该DMA通道开始从起始地址获取描述符。
EOP控制比特显示描述符链表的终止。当DMA通道检测到某个描述符的EOP控制比特后，会停止获取该描述符链表。EOP控制比特只能在描述符链表的最后一个描述符中被设置。
描述符格式如下表所示。
表14 描述符格式
Offset Fields
0x0 Bit 31：EOP
Bit 30~16：保留
Bit 15~0：Magic，常数16’hAD4B
0x4 DMA Transfer Length
0x8 Address[31:0]
0xC Address[63:32]
Address：64-bit，Destination address for C2H或Source address for H2C
EOP：1-bit，End of packet for stream data
DMA Transfer Length：32-bit，Length of data in bytes
3.4 端口描述
Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem直接和integrated block for PCIe连接。和PCIe integrated block IP数据路径接口的宽度是64，128，256或512-bit，时钟频率最高可达250MHz。除了AXI4-Lite Master接口，数据路径宽度适用于所有数据接口。AXI4-Lite Master接口的宽度固定为32-bit。
以下列表描述了这个IP的端口（默认数据路径接口宽度是512-bit，PCIe接口是x16）。
表15 参数定义
参数名称 描述 默认值
CNUM H2C和C2H的通道数量 8
C2H_BUF_BRAM_CASCADE_DEPTH C2H数据缓冲区的BRAM级联深度
0：BRAM深度=29=512
1：BRAM深度=29+1=1024
……
N：BRAM深度=29+N 0
C2H_BUF_USE_URAM C2H数据缓冲区是否使用URAM
0：不使用URAM
1：使用URAM 0
C2H_BUF_URAM_CASCADE_DEPTH H2C数据缓冲区的URAM级联深度
0：URAM深度=212=4096
1：URAM深度=212+1=8192
……
N：URAM深度=212+N 0
H2C_BUF_BRAM_CASCADE_DEPTH H2C数据缓冲区的BRAM级联深度
0：BRAM深度=29=512
1：BRAM深度=29+1=1024
……
N：BRAM深度=29+N 0
H2C_BUF_USE_URAM H2C数据缓冲区是否使用URAM
0：不使用URAM
1：使用URAM 0
H2C_BUF_URAM_CASCADE_DEPTH C2H数据缓冲区的URAM级联深度
0：URAM深度=212=4096
1：URAM深度=212+1=8192
……
N：URAM深度=212+N 0

表16 顶层接口信号
信号名称 输入输出 描述
pcie_trn_clk 输出 PCI Express Transaction接口时钟
pcie_trn_reset_n 输出 PCI Express Transaction复位，低有效
trn_lnk_up 输出 PCI Express Transaction Link Up信号，高有效

表17 PCIe接口信号
信号名称 输入输出 描述
pcie_refclk_p 输入 PCI Express 接口参考时钟+
pcie_refclk_n 输入 PCI Express 接口参考时钟-
pcie_perst_n 输入 PCI Express接口基本复位，低有效
pci_exp_txp[15:0] 输出 PCI Express串行差分输出+，16通道
pci_exp_txn[15:0] 输出 PCI Express串行差分输出-，16通道
pci_exp_rxp[15:0] 输入 PCI Express串行差分输入+，16通道
pci_exp_rxn[15:0] 输入 PCI Express串行差分输入-，16通道

表18 H2C通道0-CNUM-1 FIFO（FWFT）接口信号
信号名称 输入输出 描述
fifo_rdclk_disp
[CNUM-1:0] 输入 FIFO读时钟
Bit i，表示H2C通道i的读时钟
fifo_rdreq_disp
[CNUM-1:0] 输入 FIFO读使能，高有效
Bit i，表示H2C通道i的读使能
fifo_q_disp
[512CNUM-1:0] 输出 FIFO读数据
Bit 512(i+1)-1~512*i，表示H2C通道i的读数据
fifo_empty_disp
[CNUM-1:0] 输出 FIFO空，高有效
Bit i，表示H2C通道i的缓存空信号
fifo_prog_empty_disp
[CNUM-1:0] 输出 FIFO可编程空（阈值等于16），高有效
Bit i，表示H2C通道i的缓存可编程空信号

表19 C2H通道0-CNUM-1 FIFO接口信号
信号名称 输入输出 描述
fifo_wrclk_acq
[CNUM-1:0] 输入 FIFO写时钟
Bit i，表示C2H通道i的写时钟
fifo_wrreq_acq
[CNUM-1:0] 输入 FIFO写使能，高有效
Bit i，表示C2H通道i的写使能
fifo_data_acq
[512CNUM-1:0] 输入 FIFO写数据
Bit 512(i+1)-1~512*i，表示C2H通道i的写数据
fifo_prog_full_acq
[CNUM-1:0] 输出 FIFO可编程满（阈值等于深度-16），高有效
Bit i，表示C2H通道i的缓存可编程满信号

表20 Config AXI4-Lite Master接口信号
信号名称 输入输出 描述
m_axil_awaddr 输出 write address
m_axil_awprot[2:0] 输出 write protection type
m_axil_awvalid 输出 write address valid
m_axil_awready 输入 write address ready
m_axil_wdata[31:0] 输出 write data
m_axil_wstrb[3:0] 输入 write strobes
m_axil_wvalid 输出 write valid
m_axil_wready 输入 write ready
m_axil_bresp[1:0] 输入 write response
m_axil_bvalid 输入 write response valid
m_axil_bready 输出 response ready
m_axil_araddr[31:0] 输出 read address
m_axil_arprot[2:0] 输出 read protection type
m_axil_arvalid 输出 read address valid
m_axil_arready 输入 read address ready
m_axil_rdata[31:0] 输入 read data
m_axil_rresp[1:0] 输入 read response
m_axil_rvalid 输入 read valid
m_axil_rready 输出 read ready

表21 中断接口信号
信号名称 输入输出 描述
usr_intr_pos[15:0] 输入 用户中断输入。
Bit i：用户中断#i输入，上升沿有效。

表22 软复位接口信号
信号名称 输入输出 描述
sw_srst_n 输出 软复位输出，低有效。

表23 用户寄存器接口信号
信号名称 输入输出 描述
acquisition_res
[32CNUM-1:0] 输出 CNUM个C2H通道的分辨率设置
Bit 32(i+1)-1~32i，表示C2H通道i的分辨率
display_res
[32CNUM-1:0] 输出 CNUM个H2C通道的分辨率设置
Bit 32*(i+1)-1~32i，表示H2C通道i的分辨率
acquisition_fps
[32CNUM-1:0] 输出 CNUM个C2H通道的帧率设置
Bit 32*(i+1)-1~32i，表示C2H通道i的帧率
display_fps
[32CNUM-1:0] 输出 CNUM个H2C通道的帧率设置
Bit 32*(i+1)-1~32i，表示H2C通道i的帧率
acquisition_enable
[CNUM-1:0] 输出 CNUM个C2H通道的采集使能，高有效
Bit i = 1，表示使能C2H通道i采集
display_enable
[CNUM-1:0] 输出 CNUM个H2C通道的显示使能，高有效
Bit i = 1，表示使能H2C通道i显示
acquisition_stat
[32CNUM-1:0] 输入 CNUM个C2H通道的状态
Bit 32*(i+1)-1~32i，表示C2H通道i的状态
display_stat
[32CNUM-1:0] 输入 CNUM个H2C通道的状态
Bit 32*(i+1)-1~32*i，表示H2C通道i的状态
usr_ctrl[31:0] 输出 控制信号输出
usr_stat[31:0] 输入 状态信号输入