FPGA Xilinx Zynq 系列（四）

FPGA技术江湖

发布于 2020-12-30 10:34:39

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今天给大侠带来FPGA Xilinx Zynq 系列第四篇，本篇内容目录简介如下：

2. Zynq 芯片(“ 是什么？”)

2.3 处理器系统与可编程逻辑的接口

2.3.1 AXI 标准

2.3.2 AXI 互联和接口

2.3.3 EMIO 接口

2.3.4 其他 PL-PS 信号

本系列分享来源于《The Zynq Book》，Louise H. Crockett, Ross A. Elliot,Martin A. Enderwitz, Robert W. Stewart. L. H. Crockett, R. A. Elliot, M. A. Enderwitz and R. W. Stewart, The Zynq Book: Embedded Processing with the ARM Cortex-A9 on the Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC, First Edition, Strathclyde Academic Media, 2016。

Zynq 芯片(“ 是什么？”)

2.3. 处理器系统与可编程逻辑的接口

如前所述，Zynq 的表现不仅仅依赖于它的两个组成部分 PS 和 PL 的特性，还在于能把两者协同起来形成完整、集成的系统的能力。这其中起关键作用的，是一组高度定制的 AXI 互联和接口用来在两个部分之间形成桥梁。另外，在 PS 和 PL 之间还有一些其他类型的连接，特别是 EMIO。本节讨论 PS 和 PL 之间的连接，并探讨如何使用这些连接。我们从介绍 AXI 标准开始，这是大多数连接的基础。

2.3.1. AXI 标准

AXI 表示的是高级可扩展接口（Advanced eXtensible Interface），当前的版本是 AXI4，它是 ARM AMBA®3.0 开放标准的一部分。第三方厂家生产的许多芯片和 IP 包都是基于这个标准的。

AMBA 标准原本是 ARM 开发用于单片机的，第一版是 1996 年发布的。自那之后，标准被修订和扩展过，现在 ARM 描述它是 “ 片上通讯的事实标准 ”[3]。现在它主要用于片上系统，包括基于 FPGA 的 SoC，或是 Zynq 这样的包含了 FPGA 部分的芯片。实际上，Xilinx 做了很大的贡献来把 AXI4 定义为 FPGA 架构内使用的优化的互联技术 [16][29]。在 ISE® Design Suite 的 12.3 版中，Xilinx 工具链第一次引入了对 AXI 的支持 [25]，现在在 Vivado Design Suite 中有了进一步的支持。AXI 总线可以灵活使用，而且一般情况下是用来在一个嵌入式系统中连接处理器和其他 IP 包的。实际上有三类 AXI4，每一类代表了一种不同的总线协议，下面会有总结。对于一个特定的连接选择哪个 AXI 总线协议是基于那个连接所需的特性的。

AXI4 [2] — 用于存储映射链接，它支持最高的性能：通过一簇高达 256 个数据字（或 “ 数据拍（data beats）”）的数据传输来给定一个地址。
AXI4-Lite [2] — 一种简化了的链接，只支持每次连接传输一个数据（非批量）。AXI4-Lite也是存储映射的：这种协议下每次传输一个地址和单个数据。
AXI4-Stream [1] — 用于高速流数据，支持批量传输无限大小的数据。没有地址机制，这种总线类型最适合源和目的地之间的直接数据流（非存储器映射）。

前面的描述中用到了 “ 存储映射 ” 这个术语，有必要在此简要定义一下它的含义。如果一个协议是存储映射的，那么在主机所发出的会话（无论读或写）中就会标明一个地址，这个地址是对应于系统存储空间中的一个地址的。对于仅支持每次会话单个数据传输的 AXI4-Lite 而言，数据就是写入那个指定的地址，或从那个地址读出；而在 AXI4 批量的情况下，地址表明的是要传输的第一个数据字的地址，而从机端必须计算随后的数据字的地址。

2.3.2. AXI 互联和接口

在 PS 和 PL 之间的主要连接是通过一组 9 个 AXI 接口，每个接口有多个通道组成。这些形成了 PS 内部的互联以及与 PL 的连接，如图 2.9 所示。这里，有必要定义两个重要的术语：

互联（Interconnect） — 互联实际上是一个开关，管理并直接传递所连接的 AXI 接口之间的通信。在 PS 内有几个互联，其中有些还直接连接到 PL（如图2.9），而另一些是只用于内部连接的。这些互联之间的连接也是用 AXI 接口所构成的。
接口（Interface） — 用于在系统内的主机和从机之间传递数据、地址和握手信号的点对点连接。

从图上可以注意到所有的接口都明确地连接到 PS 内的 AXI 互联，唯一例外的是 ACP 接口，它直接连到 APU 里面的一致性控制单元（SCU）。在处理器系统内部，AXI 接口用在 ARM APU 内部（用来连接处理器核和 SCU、 cache 存储器和 OCM），及连接 PS 内的各种互联。这些连接是对 PS-PL 边界上的连接的补充。特别的，图 2.9 所示的三个互联（存储器、主机和从机互联）是内部连接到中央互联（Central Interconnect）的，图中没有画出这个互联，但是在图 2.2 上可以看到。PS 内部连接的全部细节，包括表达所有 AXI 互联和接口的框图，在 [33]。

图 2.9: 连接 PS 和 PL 的 AXI 互联和接口的构架

表 2.2 给出了图 2.9 中的箭头所表示的接口的总结。它给出了每个接口的简述，标出了主机和从机（按照惯例，主机是控制总线并发起会话的，而从机是做响应的）。注意接口命名的规范（在表 2.2 的第一列）是表示了 PS 的角色的，也就是说，第一个字母 “M” 表示 PS 是主机，而第一个字母 “S” 表示 PS 是从机。

表 2.2 PS 和 PL 之间的接口 [33]

进一步解释这些不同类型的 PS-PL AXI 接口的作用：

通用 AXI（General Purpose AXI） — 一条 32 位数据总线，适合 PL 和 PS 之间的中低速通信。接口是透传的不带缓冲。总共有四个通用接口：两个 PS 做主机，另两个 PL 做主机。
加速器一致性端口（Accelerator Coherency Port） — 在 PL 和 APU 内的 SCU 之间的单个异步连接，总线宽度为 64 位。这个端口用来实现 APU cache 和 PL 的单元之间的一致性。PL 是做主机的。
高性能端口（High Performance Ports） — 四个高性能 AXI 接口，带有 FIFO 缓冲来提供 “ 批量 ” 读写操作，并支持 PL 和 PS 中的存储器单元的高速率通信。数据宽度是 32 或 64 位，在所有四个接口中 PL 都是做主机的。

每条总线都是由一组信号组成的，这些总线上的会话是根据所定义的总线标准，也就是 AXI4 来发生的，下面会介绍这个标准。关于 AXI 总线和会话的深入解释超出了目前讨论的内容，不过在之后的第十九章我们会回来讨论这个话题。

2.3.3. EMIO 接口

如 2.1 节所提，从 PS 出来，有几种连接可以经由 PL 到外部接口上，这被称作扩展的 MIO （Extended MIO），即 EMIO。EMIO 涉及到两个域之间的信号传输，是由一组简单的导线连接实现的，因此， EMIO 并不支持所有的 MIO 接口，而支持的那些中，也有些的能力受到了限制 [33]。这些连接被安排成两个 32 位的组。

很多情况下，经由 EMIO 的接口是直接连接到所需的 PL 的外部引脚上的，这个连接是由一个约束（描述）文件中的条目所指定的。在这个模式下，EMIO 可以实现额外的 64 个输入线和 64 个带有输出使能的输出线。另一个选择是用 EMIO 来连接PS 和 PL 里的外设模块。图 2.10 描绘了这两种使用模式。