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Xilinx FPGA PCIe 保姆级教程 ——基于 PCIe XDMA IP核

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Reconfigurable-Computing/Xilinx-FPGA-PCIe-XDMA-Tutorial

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Xilinx FPGA PCIe-XDMA Tutorial

Xilinx FPGA 的 PCIe 保姆级教程 ——基于 PCIe-XDMA IP核

 

引言

PCIe-XDMA (DMA Subsystem for PCIe) 是 Xilinx 提供给 FPGA 开发者的一种免费的、便于使用的 PCIe 通信 IP 核。图1PCIe-XDMA 应用的典型的系统框图, PCIe-XDMA IP核 的一端是 PCIe 接口,通过 FPGA 芯片的引脚连接到 Host-PC 的主板的 PCIe 插槽上;另一端是一个 AXI4-Master Port ,可以连接到 AXI slave 上,这个 AXI slave 可以是:

  • 一个 AXI Block RAM (AXI BRAM) 或 AXI DDR controller 上,则整个 FPGA 可以看作一个 PCIe 内存设备,Host-PC 可以读写该内存;
  • 一个硬件加速器,则 Host-PC 可以通过 PCIe 调用该加速器;
  • AXI 桥 (例如 AXI interconnection) ,下游挂多个 AXI slave ,可以同时实现更多功能。
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|   run      |    PCIe    |    |   PCIe-XDMA   |       AXI4       |   User Logic      |   |
|  C/C++     |<---------->|<-->|    IP core    |<---------------->|   e.g.            |   |
|  software  |            |    |               |Master       Slave|   HW Accelerator  |   |
|            |            |    |  (AXI-master) | Port        Port |   (AXI-slave)     |   |
|            |            |    |---------------|                  |-------------------|   |
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  Host-PC                                                  FPGA
                       图1 : PCIe-XDMA 应用的典型系统框图

FPGA开发板选择

本库提供了3个例程,都在 Digilent NetFPGA-sume (FPGA 型号为 Xilinx Virtex-7 XC7VX690TFFG1761-3) 上运行。如果你手头有其它的 Xilinx 的 7系列以上的 FPGA PCIe 开发板,也可以跟随该教程,因为它不限于具体的 FPGA 型号。

你能学到什么?

跟随本教程,你可以学会:

  • 在任意的 Xilinx FPGA PCIe 开发板中使用 PCIe-XDMA IP
    • 包括如何阅读 PCB 的原理图来进行正确的 PCIe 引脚分配 。
  • 如何在 Linux 中编写 C 语言程序来调用 PCIe-XDMA ,实现 Host-PC 和 FPGA 的数据交互。
  • 初步了解 AXI 总线的时序;以及如何用 Verilog 编写简单的 AXI slave 。

 

PCIe 简介

PCIe (PCI Express) 是一种差分信号对的高速外设总线。目前具有五代 (Gen1 ~ Gen5) 、4种总线宽度 (x1, x4, x8, x16) 。详见 doc/PCIe_intro.md

 

FPGA PCIe 引脚分配方法

详见 doc/FPGA_PCIe_pin_assignment.md必读!),它讲解了如何阅读原理图并编写 Vivado 工程中的 .xdc 文件,对 PCIe 引脚进行约束。该方法对各种 FPGA 开发板是通用的,不局限于本库使用的 NetFPGA-sume 。

 

 

例程一:基于 blockdesign 的 PCIe BRAM 读写

该例程的结构框图如图2 。其中包括:

  • 一个用 blockdesign 例化的 PCIe-XDMA IP核;
  • 一个用 blockdesign 例化的 AXI-BRAM IP核;
  • 用 blockdesign 将以上二者连接起来。整体而言实现了一个 PCIe 内存设备;
  • 在 Host-PC 上编写 C 语言程序去读写它。
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|            |            |    |               |                  |                   |   |
|   run      |    PCIe    |    |   PCIe-XDMA   |       AXI4       |   AXI-BRAM        |   |
|  C/C++     |<---------->|<-->|    IP core    |<---------------->|   (AXI-slave)     |   |
|  software  |            |    |               |Master       Slave|                   |   |
|            |            |    |  (AXI-master) | Port        Port |                   |   |
|            |            |    |---------------|                  |-------------------|   |
|            |            |                                                               |
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  Host-PC                                                      FPGA
                 图2 : PCIe-XDMA + AXI-BRMA 实现 PCIe 内存设备

请按照以下流程学习本例程:

  if ( 你熟悉 Vivado blockdesign 的开发流程 ) {

    解压、打开并查看 Vivado 工程 netfpga_pcie_x1_xdma_bram_blockdesign.zip

  } else {

    阅读 doc/intro_pcie_x1_xdma_bram_blockdesign.md

  }

  阅读 doc/FPGA_plug_and_writebitstream.md ,插入 PCIe 并烧录 FPGA

  阅读 doc/load_xdma_driver.md ,在 Linux 主机中编译和加载驱动

  阅读 doc/run_software_xdma_bram.md ,运行C语言程序进行读写测试

 

 

例程二:基于 Verilog 的 PCIe BRAM 读写

该例程的结构和图2相同,只不过不用 block design ,而是用传统的开发方式。这种方式虽然更麻烦,但灵活性更强、有利于进行细节优化。其中包括:

  • 一个用传统 IP 例化方式例化的 PCIe-XDMA IP核;
  • 一个用 Verilog 编写的 AXI-BRAM IP核;
  • 编写 Verilog 将以上二者连接起来。整体而言实现了一个 PCIe 内存设备;
  • 在 Host-PC 上编写 C 语言程序去读写它。

请按照以下流程学习本例程:

    解压、打开并查看 Vivado 工程 netfpga_pcie_x1_xdma_bram.zip

    if ( 你看不懂该工程中的 AXI 相关代码 ) {

      阅读 doc/intro_pcie_x1_xdma_bram.md ,理解如何用 Verilog 编写简单的 AXI-BRAM 存储器

    }

    阅读 doc/FPGA_plug_and_writebitstream.md ,插入 PCIe 并烧录 FPGA

    阅读 doc/load_xdma_driver.md ,在 Linux 主机中编译和加载驱动

    阅读 doc/run_software_xdma_bram.md ,运行C语言程序进行读写测试

 

 

例程三:基于传统开发方式的 PCIe MPEG2 视频编码

该例程的结构如图3 。其中包括:

  • 一个用传统 IP 例化方式例化的 PCIe-XDMA IP核;
  • 一个开源的 MPEG2视频编码器 (mpeg2encoder) ;
  • 编写 Verilog 为该 MPEG2 视频编码器实现一层封装 (axi_mpeg2encoder_wrapper) ,使之能在 AXI 接口的控制下工作;
  • 编写 Verilog 将以上二者连接起来。整体而言实现了一个 PCIe 视频编码卡;
  • 在 Host-PC 上编写 C 语言程序去调用它,向FPGA写入视频原始像素,读取出编码视频流,实现视频压缩。
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|   run      |    PCIe    |    |   PCIe-XDMA   |                  |  control --->|               |   |   |
|  C/C++     |<---------->|<-->|    IP core    |       AXI4       |  status  <---|               |   |   |
|  software  |            |    |               |<---------------->|              |  mepg2encoder |   |   |
|            |            |    |  (AXI-master) |Master       Slave|     data --->|               |   |   |
|            |            |    |               | Port        Port |     data <---|               |   |   |
|            |            |    |               |                  |              |---------------|   |   |
|            |            |    |---------------|                  |                                  |   |
|            |            |                                       |     axi_mpeg2encoder_wrapper     |   |
|            |            |                                       |         (AXI slave)              |   |
|            |            |                                       |----------------------------------|   |
|            |            |                                                                              |
|------------|            |------------------------------------------------------------------------------|
  Host-PC                                                        FPGA
                 图3 : PCIe-XDMA + AXI-BRMA 实现 PCIe 内存设备

请按照以下流程学习本例程:

    打开并查看 Vivado 工程 netfpga_pcie_x1_xdma_mpeg2encoder.zip

    if ( 你看不懂该工程中的 AXI 相关代码 ) {

      阅读 doc/intro_pcie_x1_xdma_bram.md ,理解 AXI 总线时序

      阅读 doc/intro_pcie_x1_xdma_mpeg2encoder.md

    }

    阅读 doc/FPGA_plug_and_writebitstream.md ,插入 PCIe 并烧录 FPGA

    阅读 doc/load_xdma_driver.md ,在 Linux 主机中编译和加载驱动

    阅读 doc/run_software_xdma_mpeg2encoder.md ,运行C语言程序进行读写测试

 

 

后续工作

后续我可能再加一个例程:

  • 基于 blockdesign 的 PCIe 算法加速器 :用 HLS 编写一个加速器 (比如 FFT) ,封装为 AXI slave IP ,然后用 blockdesign 将它和 PCIe-XDMA IP 集成起来,实现一个简单的 PCIe 算法加速器。

 

 

参考资料

Releases

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Packages

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