AXI DMA IP核使用说明

AXI DMA提供内存和AXI4-Stream 目标外设之间的高带宽直接内存访问。DMA除了配置为直接DMA模式外，还可以配置为scatter/gather（S/G）模式，S/G模式减轻CPU负担。

为了掌握对DMA的使用方法，需要对DMA IP核有足够的了解。这篇文章主要对AXI DMA IP 核的使用进行简单的说明，接下来详细论述，首先是 AXI DMA IP核的结构图，如下所示：

1 AXI DMA IP核结构图

在上图中，DMA 能够实现的功能有:
（1） 内存到AXI4S（AXI4-Stream）是通过AXI4 Read Master 到 AXI4 memory-mapped to stream (MM2S) Master;
AXI4S到内存是 AXI stream to memory-mapped (S2MM) Slave到AXI4 Write Master，在S/G模式下，MM2S和S2MM可以实现最多16个通道的数据传输。
（2） 提供byte级数据重对齐，允许从内存任何位置访问数据；
（3） MM2S通道提供 AXI4 Control Stream 控制流，S2MM提供状态流；
（4） S/G 模式允许访问和更新内存中的 buffer描述符（buffer descriptors, bd）
（5） AXI4接口支持32, 64, 128, 256, 512 和 1024 位的数据传输；
（6） AXI4S 接口支持8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 和 1024位的数据传输。

在此先说明一下S/G模式 。
S/G 模式：DMA操作需要在内存中驻留的数据结构保存DMA操作列表，列表描述为描述符链，任一描述符有指向下一描述符的指针，最后一个描述符指向第一个描述符。描述符的存在可以实现数据报头和数据内从在内存中不同位置，获取报头和获取数据相互独立，增加吞吐量。
在 MM2S 通道上使用帧起始位(TXSOF)和帧结束位(TXEOF)描述内存中的数据包长度，当DMA获取TXSOF位设置的描述符时，触发包的开始。数据包继续获取后续描述符，直到获取一个设置了TXEOF位的描述符。
在S2MM通道上，DMA使用RXSOF 和 RXEOF标记描述符。

2 AXI DMA IP接口

了解IP核的结构后，就需要了解IP核的使用方法，首先介绍下IP核的接口资源。
AXI DMA IP核的接口如下图所示：

下面详细介绍接口功能：

s_axi_lite_aclk： AXI4-Lite时钟；
m_axi_sg_aclk： S/G模式时钟；
m_axi_mm2s_aclk： MM2S通道时钟；
m_axi_s2mm_aclk： S2MM通道时钟；

axi_resetn： 复位
mm2s_introut：	MM2S通道中断；
s2mm_introut： S2MM通道中断；
axi_dma_tstvec： 提供调试使用；

s_axi_lite_*： AXI4-Lite接口；

AXI4存储器读接口
m_axi_mm2s_*： MM2S通道读接口；

AXI4S 接口
mm2s_prmry_reset_out_n： MM2S通道数据流设备的复位输出；
m_axis_mm2s_*： MM2S的AXI4S接口；

AXI4控制接口
mm2s_cntrl_reset_out_n：MM2S通道控制的复位输出；
m_axis_mm2s_cntrl_*： MM2S的AXI4控制接口；

AXI4存储器写接口
m_axi_s2mm_*：  S2MM 通道写接口；


s2mm_prmry_reset_out_n： S2MM 通道数据流设备的复位输出；
s_axis_s2mm_*： S2MM 的AXI4S接口；


s2mm_sts_reset_out_n： S2MM 通道状态的复位输出；
s_axis_s2mm_sts_*：  S2MM 的AXI4状态接口；

S/G读接口
m_axi_sg_*： S/G读接口
m_axi_sg*： S/G写接口

1 寄存器说明

对于上面某些控制接口或者状态接口，比如中断接口来说，DMA传输过程中或许不需要产生中断，所以DMA的某些寄存器可以通过用户配置，实现功能选择。DMA的同一地址空间中寄存器对于不同的传输模式，其功能也不相同，下面详细介绍寄存器功能：

1 MM2S寄存器

S/G模式下寄存器地址

DMA模式下寄存器地址

DMACR DMA控制寄存器说明

DMASR DMA状态寄存器说明

MM2S_CURDESC寄存器：当前描述符指针寄存器

MM2S_TAILDESC寄存器：结尾描述符指针寄存器

MM2S_SA寄存器：源地址寄存器

MM2S_LENGTH寄存器：数据传输长度寄存器

SG_CTL寄存器：S/G模式控制寄存器

2 S2MM寄存器

S2MM通道的寄存器与MM2S通道寄存器值相似，区别在于MM2S通道有MM2S_SA源地址，S2MM寄存器有S2MM_DA目的地址寄存器，两者各自加上MM2S_LENGTH传输长度寄存器即可实现数据传输。

2 S/G描述符

S/G描述符有8个32位字和5个用户数据组成，如下所示：

MM2S_NXTDESC寄存器：下一描述符指针寄存器

MM2S_BUFFER_ADDRESS寄存器：MM2S通道的传输数据的地址；

MM2S_CONTROL寄存器：控制寄存器；

MM2S_STATUS寄存器：状态寄存器；

S2MM通道和MM2S通道下S/G描述符寄存器含义大致相似，详细可以看pg021 说明文档。

3 DMA 多通道模式

DMA还支持多通道模式，为支持多通道，DMA定义3个信号以区分不同的目标设备。新加定义信号是：
tid 5 bit的信号，用户自己定义；
tdest 5 bit的信号，目的信息，提供大致的路由信息；
tuser 4 bit的信号，用户数据；

增加新的描述符字段来支持多通道传输和二维传输，支持二维内存访问，通过HSIZE, VSIZE, 和 STRIDE三个字段描述，提供分组的包起始和包结束标志。
使能多通道传输时，AXI Stream流的控制/状态寄存器不能使用。

MM2S描述符包含字段组成如下所示：

各字段含义如下所示：

S2MM描述符字段
S2MM描述符字段同MM2S描述符相似，部分标志位地址改变而已。

3 AXI DMA IP核使用说明

1 时钟

DMA具有4个时钟输入，分别是
m_axi_mm2s_aclk：MM2S接口
m_axi_s2mm_aclk： S2MM 接口
s_axi_lite_aclk：AXI4-Lite控制接口
m_axi_sg_clk：S/G模式接口
时钟允许异步时钟和同步时钟。
异步时钟，4个时钟采用不同的时钟源，优点是用户可以使用比DMA更高的时序运行用户程序；在异步时钟下，s_axi_lite_aclk时钟小于m_axi_sg_clk时钟小于m_axi_mm2s_aclk时钟或者m_axi_s2mm_aclk。
同步时钟，m_axi_mm2s_aclk、m_axi_s2mm_aclk和m_axi_sg_clk使用相同的时钟源，s_axi_lite_aclk采用较低的时钟源，

2 复位

axi_resetn信号至少需要16个最慢时钟周期才能复位，并且需要与s_axi_lite_aclk同步。

3 使用说明

DMA使用有两种模式，直接DMA模式和S/G模式。直接DMA模式使用FPGA资源少，直接配置源地址或者目的地址以及传输长度启动传输，当传输完成是，置位IOC_Irq寄存器产生中断。接下来分开说明两种模式下的使用顺序。

1 直接DMA使用顺序

MM2S通道
1 置位R/S为1 （MM2S_DMACR）来启动MM2S通道运行。Halted（DMASR）指示MM2S通道正在运行。
2 MM2S_DMACR的IOC_IrqEn和Err_IrqEn置位使能中断。当AXI DMA配置为直接DMA模式时，不使用延迟中断、延迟计数和阈值计数。
3 向MM2S_SA寄存器写入有效源地址。如地址空间大于32，则对MM2S_SA MSB寄存器进行配置。
4.在MM2S_LENGTH寄存器中写入要传输的字节数。MM2S_LENGTH寄存器必须最后写入。所有其他MM2S寄存器可以按任意顺序写入。

S2MM通道
S2MM通道配置顺序同MM2S通道。

2 S/G模式

MM2S通道
1 将起始描述符的地址写入当前描述符寄存器。如果AXI DMA配置的地址空间大于32，那么也要对当前描述符的MSB 32位进行配置。
2 置位R/S为1 （MM2S_DMACR）来启动MM2S通道运行。Halted（DMASR）指示MM2S通道正在运行。
3 MM2S_DMACR的IOC_IrqEn和Err_IrqEn置位使能中断。
4.向尾部描述符寄存器写入一个有效地址。如果AXI DMA是为大于32的地址空间配置的，那么也要对尾部描述符的MSB 32位进行配置。
5 写入尾部描述符寄存器会触发DMA开始从存储器中提取描述符。在多通道配置的情况下，当数据包到达S2MM通道时，开始提取描述符。
6 处理提取的描述符，从存储器中读取数据，然后输出到MM2S流通道。

S2MM通道
S2MM通道配置顺序同MM2S通道。

3 循环DMA模式

通过对缓冲区描述符（BD）链设置进行更改，DMA可以在循环模式下运行。在循环模式下，DMA会不间断地获取和处理相同的BD，直到停止或复位。
为了实现循环操作，，尾部BD指向第一个BD。尾部描述符寄存器没有任何用途，仅用于触发DMA传输。与S/G模式使用顺序一致，确保控制寄存器中的循环位已置1。

4 AXI DMA IP核使用配置

AXI DMA IP核的配置如下所示：

上图为AXI DMA IP核的配置，下面详细论述各配置的含义：

1 Enable Asynchronous Clocks
异步时钟，4个时钟采用不同的时钟源，优点是用户可以使用比DMA更高的时序运行用户程序；在异步时钟下，s_axi_lite_aclk时钟小于m_axi_sg_clk时钟小于m_axi_mm2s_aclk时钟或者m_axi_s2mm_aclk。
同步时钟，m_axi_mm2s_aclk、m_axi_s2mm_aclk和m_axi_sg_clk使用相同的时钟源，s_axi_lite_aclk采用较低的时钟源。
2 Enable Scatter Gather Engine
S/G模式使能
3 Enable Micro DMA
生成一个高度优化的DMA，专用资源少，用于传输少量数据。
4 Width of Buffer Length Register
指定长度寄存器的有效位数。
5 Address Width (32 - 64)
指示地址空间的长度。
6 Enable MultiChannel DMA
使能多通道模式。
7 Enable Control / Status Stream
使能Control / Status传输，功能是将用户数据传输到目标IP中。

*Enable Read Channel Options 读通道配置

1 Enable Channel
启用或者禁止MM2S通道；
2 Number of Channels
通道的数量，为1~16
3 Memory Map Data Width
存储器数据映射宽度，取值为2, 64, 128,256, 512 或者 1024。
4 Stream Data Width
数据总线宽度，取值为8, 16, 32, 64, 128, 512 或者 1024。
5 Max Burst Size
最大突发传输大小，突发分区粒度设置，指定MM2S的存储器映射端的最大突发传输大小，取值为2, 4, 8,16, 32, 64, 128 或者 256。
6 Allow Unaligned Transfers
使能数据重对齐传输，

*Enable Write Channel Options 写通道配置

1 Enable Channel
启用或者禁止MM2S通道；
2 Number of Channels
通道的数量，为1~16
3 Memory Map Data Width
存储器数据映射宽度，取值为2, 64, 128,256, 512 或者 1024。
4 Stream Data Width
数据总线宽度，取值为8, 16, 32, 64, 128, 512 或者 1024。
5 Max Burst Size
最大突发传输大小，突发分区粒度设置，指定MM2S的存储器映射端的最大突发传输大小，取值为2, 4, 8,16, 32, 64, 128 或者 256。
6 Allow Unaligned Transfers
使能数据重对齐传输。
7 Use RxLength In Status Stream
如果Control / Status已启用，将允许AXI DMA使用由S2MM目标IP在状态数据包的App4字段中提供的接收长度字段。

Enable Single AXI4 Data Interface
此选项仅适用于Vivado IP集成器。此选项将两个AXI4接口（MM2S和S2MM）合并成一个接口。此选项不影响资源或性能。

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