自定義AXI-Lite接口的IP及源碼分析

在 Vivado 中自定義 AXI4-Lite 接口的 IP，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的 LED 控制功能，并將其掛載到 AXI Interconnect 總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)上，通過 ZYNQ 主機(jī)控制，后面對 Xilinx 提供的整個(gè) AXI4-Lite 源碼進(jìn)行分析。

整體系統(tǒng)如下所示：

一、封裝 AXI-Lite 協(xié)議的 IP

1. 新建一個(gè)工程

2. 打包 IP 工程

Tools 下選擇創(chuàng)建并打包一個(gè)新的 IP。

選擇創(chuàng)建一個(gè)新的帶AXI4總線的 IP。

IP命名。

IP 的 AXI4-Lite 總線的配置：

（1）選擇 Lite 總線；

（2）選擇 Slave 設(shè)備從機(jī)模式，這里考慮到我們的實(shí)際應(yīng)用，以 ZYNQ 的 PS 做主機(jī) Master，來讀寫自定義的從機(jī)LED IP；

（3）數(shù)據(jù)位寬 32-bit；

（4）內(nèi)部寄存器最少為4個(gè)，這里選擇4，實(shí)際上本例中只使用了 1 個(gè)，這里的 4 就代表內(nèi)部由 4 個(gè) 32 位的寄存器，依次命名為 slv_reg0 ~ slv_reg3。

按照微機(jī)尋址的思想，當(dāng)找到設(shè)備的基地址后，加上偏移地址能夠找到設(shè)備的內(nèi)部寄存器。這里，當(dāng)偏移地址為 0 時(shí)，表示 slv_reg0，偏移地址為 4 時(shí)（4 個(gè)字節(jié)，32-bit），表示 slv_reg1，8 代表 slv_reg3，12 代表 slv_reg4。

例子中只使用 slv_reg0，偏移地址為0，這個(gè)在 ZYNQ 的 PS 端編程時(shí)使用。

上述配置完成后，編輯IP，會(huì)自動(dòng)打開一個(gè)新的工程，在 AXI-Lite 接口協(xié)議基礎(chǔ)上，添加自定義的端口和用戶邏輯。

3. 修改 IP

打開底層的代碼， 在第18行添加自己需要的輸出端口 。

ZC706的 PL 側(cè)有 4 個(gè) LED 可供操作，這里定義輸出 4 位去控制 LED。

中間的實(shí)現(xiàn)邏輯先不看，是 AXI-Lite 協(xié)議中的 Valid、Ready 握手信號的產(chǎn)生以及讀、寫、響應(yīng)等操作，后面再進(jìn)行具體的分析。

找到尾部第401行，添加用戶邏輯 ，上面我們已經(jīng)說了PS 側(cè)向 slv_reg0 寫入 LED 的控制信息，這里從 slv_reg 讀出控制信息，低 4 位為需要的有效控制信息。

完成底層的端口和用戶邏輯后， 在頂層中第 18 行也加入輸出端口 ，并在 例化底層時(shí)第 51 行將新加入的端口進(jìn)行連接 。

修改后，打包 IP 時(shí)可能出現(xiàn)如 1處所示的編輯圖樣，在 2 處點(diǎn)擊藍(lán)色字體會(huì)自動(dòng)更新，點(diǎn)擊 3 處打包。

二、使用自定義的 AXI-Lite的IP

找到開始時(shí)的新建工程，新建一個(gè) Block Design 原理圖設(shè)計(jì)文件，添加 IP 時(shí)就可以搜索到自定義的 LED_MyIP_Lite。

添加 ZYNQ，使用自動(dòng)連接會(huì)自動(dòng)添加復(fù)位邏輯和 AXI總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)，添加一個(gè) ILA 集成邏輯分析儀，并設(shè)置成 AXI4 LITE 接口，引出 LED 輸出，原理圖文件右鍵生成頂層 wrapper。

對 ILA 的配置。

新建約束文件，增加 4 個(gè) LED的物理約束，由于使用的是 Xilinx 的 FPGA評估版，其他引腳的約束已經(jīng)由系統(tǒng)自動(dòng)完成。

可以打開閱讀一下 Xilinx 給的一些約束，如下圖所示，首先對時(shí)鐘頻率和抖動(dòng)進(jìn)行時(shí)序約束，然后對輸入輸出引腳進(jìn)行物理約束，最重要的是“電平標(biāo)準(zhǔn)”和“引腳位置”。

綜合、布局布線、生成 bitstream 后，導(dǎo)出硬件到 SDK。

新建 SDK 工程，加入代碼如下，設(shè)置基地址和偏移地址。

三、運(yùn)行結(jié)果

Run As 下載觀察流水燈效果。

Debug As 下載，Vivado 中連接硬件，打開 ILA。

對于寫事務(wù)，設(shè)置 WVALID和 WREADY 兩個(gè)均為 1 時(shí)觸發(fā)；

對于讀事務(wù)，設(shè)置檢測 RVALID 和 RREADY 都為 1，兩個(gè)斷點(diǎn)處單步運(yùn)行。

（1）初始化

（2）寫事務(wù)

寫事務(wù)涉及到寫地址通道、寫數(shù)據(jù)通道和寫響應(yīng)通道。測試時(shí)，ZYNQ 的 PS 主機(jī)向 slv_reg0 寫 1。

（3）讀事務(wù)

讀事務(wù)涉及到讀地址通道和讀數(shù)據(jù)通道。測試時(shí)，ZYNQ 的 PS 主機(jī)向 slv_reg0 寫 1，然后讀取該寄存器。

四、AXI4-Lite源碼分析

運(yùn)行 PS 端的程序，PL 端的 4 個(gè) LED 按照流水燈方式循環(huán)點(diǎn)亮。

改成 Debug 下載，并打開 ILA 集成邏輯分析儀，單步調(diào)試，設(shè)置觸發(fā)條件。

對于寫事務(wù)，設(shè)置檢測 WVALID 和 WREADY 均有效；

對于讀事務(wù)，設(shè)置檢測 RVALID 和 RREADY 都有效。

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（1）寫事務(wù)

寫事務(wù)涉及到寫地址通道、寫數(shù)據(jù)通道和寫響應(yīng)通道。

（a）AWADDR[3:0] 寫地址

AWADDR[3:0] = 0，表示寫 slv_reg0。

主機(jī)（ZYNQ的PS）給出從機(jī)的基地址 0x43C00000 和 偏移地址 0x0，其中基地址主要用于對整個(gè)從機(jī)的尋址，偏移地址用于對從機(jī)內(nèi)部寄存器的尋址。

偏移地址為0，對應(yīng) AXI_AWADDR[3:0] = 0，在 32 位 WDATA 寫數(shù)據(jù)配置下，AXI_AWADDR[3:2] 表示選擇寫哪個(gè)寄存器，

=0 時(shí)寫 slv_reg0；

=1 時(shí)寫 slv_reg1；

=2 時(shí)寫 slv_reg2；

=3 時(shí)寫 slv_reg3；

對應(yīng)到 AXI_AWADDR[3:0] 就是 0 / 4 / 8 / 12。

（b）AWPORT[2:0] 寫保護(hù)

AWPORT[2:0] = 1，即 3'b001，表示特權(quán)且安全的寫入數(shù)據(jù)信息。

AWPORT[2:0] 提供三種級別的寫入保護(hù)，提供用于禁止非法傳輸事務(wù)的訪問權(quán)限：

（c）AWREADY 和 WREADY 準(zhǔn)備好

根據(jù) Xilinx 的 AXI-Lite 源碼，對于從機(jī)部分，當(dāng)檢測到主機(jī)發(fā)出的 AWVALID 寫地址有效 和 WVALID 寫數(shù)據(jù)有效同時(shí)有效的下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿，將從機(jī)部分的 AWREADY 和 WREADY 拉起接收寫地址和寫數(shù)據(jù)。

對 AWREADY 寫地址準(zhǔn)備好：

對 WREADY 寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好：

（d）WDATA[31:0] 寫數(shù)據(jù)

當(dāng) WVALID 和 WREADY 都為高電平的時(shí)候，WDATA 有效，此處表示有效的寫數(shù)據(jù)是 0x0000_0001。

按照設(shè)計(jì)，將該數(shù)據(jù)寫入到 slv_reg0，并取低 4 位賦值給 LED。

這樣，LED[3:0] = 4'b0001，點(diǎn)亮其中一個(gè) LED。

（e）WSTRB[3:0] 寫閥門

WSTRB[3:0] = 4'hf，即 4'b1111，表示 32 位的 WDATA 都有效，4 位分別表示 4 個(gè)字節(jié)。

WSTRB[3:0]：對應(yīng)哪個(gè)寫字節(jié)有效，WSTRB[n] 對應(yīng) WDATA[8n+7 : 8n]，WSTRB[3:0] 對應(yīng) 32 位的寫數(shù)據(jù) WDATA。

WVALID 為低電平時(shí)，WSTRB 可以為任意值；

WVALID 為高電平有效時(shí)，WSTRB 為高的字節(jié)線必須指示有效的數(shù)據(jù)。

窄傳輸：

當(dāng)主機(jī)產(chǎn)生比數(shù)據(jù)總線寬度更窄的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，比如 32 位數(shù)據(jù)總線上只傳輸 8 bit 信息，且利用最低的 8 位傳輸，則 WSTRB[3:0] = 4'b0001。下面圖片注釋有誤，應(yīng)該是[7:0]

（f）BRESP[1:0] 和 BVALID

BRESP[1:0] 寫響應(yīng)信息；

= 0 表示正常寫入成功（OKAY）；

= 1 表示獨(dú)占式寫入（EXOKAY，AXI4-Lite 不支持獨(dú)占式讀寫，AXI4 中表示獨(dú)占式寫入成功）；

= 2 表示設(shè)備錯(cuò)誤（SLVERR）；

= 3 表示譯碼錯(cuò)誤（DECERR）。

根據(jù) Xilinx 的 AXI-Lite 源碼，對于從機(jī)部分，當(dāng)檢測到主、從機(jī)的寫數(shù)據(jù)/寫地址通道上的 VALID 和 READY 都有效時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿給出寫響應(yīng)有效信號 BVALID。

（2）讀事務(wù)

讀事務(wù)涉及到讀地址通道和讀數(shù)據(jù)通道。

測試時(shí)，ZYNQ 的 PS 主機(jī)向 slv_reg0 寫 1，然后讀取該寄存器。

（a）ARREADY 讀準(zhǔn)備好

當(dāng)檢測到主機(jī)發(fā)來的有效的讀地址（S_AXI_ARVALID），并且自身的 ARREADY 還沒拉高，那么下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿拉高。

（b）RVALID 讀數(shù)據(jù)有效和 RRESP 讀響應(yīng)信息

當(dāng) ARREADY 拉高后，如果此時(shí)主機(jī)的 ARVALID 還是有效，且此時(shí)從機(jī)還沒有給出都數(shù)據(jù)有效信號 RVALID，則在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿給出 RVALID 有效信號，且同時(shí)給出讀響應(yīng)信息。

讀響應(yīng)信息 RRESP[1:0] 的含義和前文的寫響應(yīng) BRESP[1:0] 一樣：

= 0 表示正常讀取成功；

= 1 表示獨(dú)占式讀?。ˋXI4-Lite 不支持獨(dú)占式讀寫，AXI4 支持）；

= 2 表示設(shè)備錯(cuò)誤；

= 3 表示譯碼錯(cuò)誤。

（c）RDATA[31:0] 讀數(shù)據(jù)

與寫事務(wù)的分析一樣，根據(jù)讀地址中的控制信息 axi_araddr[3:2] 表明 從 slv_reg0 中讀出數(shù)據(jù)，并寫入到讀數(shù)據(jù)通道的 RDATA 上。