使用AXI-Full接口的IP进行DDR的读写测试

学习内容

本文首先进行自定义IP的AXI总线IP的设计，然后在SDK下编写代码进行DDR的读写数据的测试。

开发环境

vivado 18.3&SDKPYNQ-Z2开发板

系统框图

首先对本次工程进行简要说明：本次工程使用AXI-Full接口的IP进行DDR的读写测试。在我们的DDR读写IP中，我们把读写完成和读写错误信号关联到PL端的LED上，用于指示DDR读写IP的读写运行状态。然后使用PL部分消抖处理后的按键进行启动AXI总线工作，控制数据写入。通过AXI互联模块连接到AXI_HP0端口，由PS端口进行数据的读取操作，并通过串口进行读写数据的监控。

自定义IP设计

首先打开Vivado软件，在Tasks这里选择New IP lacation



点击next，对IP的信息进行设置，这里我们使用默认配置即可。设置好我们IP要保存的位置。



点击Tools中的创建和封装新的IP选项，



点击NEXT ，选择我们的封装类型。因为这里我们是直接进行打开IP设计的界面，前两个选项是可以在我们的vivado当前工程下面进行封装设计，这里我们只进行了IP设计没有建立工程，所以前两个选项是无法选中的。我们也可以通过工程界面，进入点击Tools中的创建和封装新的IP选项。



这里是用DDR读写IP来做主机，控制数据写入，PS作为从机进行读取IP中写入的数据。



可以直接选中进行编辑IP，用户可以根据自己的设计进行修改编辑IP的功能，这里没有对IP进行修改处理，所以可以直接保存选择第一个添加到IP库中即可。

若修改相应的逻辑功能打开IP，在对应位置编辑添加代码即可。



添加完成综合后对IP进行重新打包。DDR读写IP设计完成，创建的 IP 核将通过 AXI4 Master 端口向 Slave 端指定的 4K 存储空间中连续写入 1024 个数据， 写入的数值从 1 累加到 1024， 每个数据占 32bit。然后进行硬件平台的构建。

硬件平台构建

首先，添加ZYNQ7 IP核，以及添加已经完成设计的ddr读写IP核。

添加用户自定义IP

用户自定义的IP可通过以下步骤完成添加。点击Settings，



在project settings选择IP，依次点击，在IP库那里点击加号，把对应的IP目录文件夹添加后，点击OK或者Apply即可完成添加，在IP库中就可以找到用户设计的IP。



完成IP和ZYNQ7 IP的导入后，如下图：



双击打开zynq删除多余的接口，这里只需要保留uart，并打开Slave HP0端口、时钟、复位端口。

配置完，选择自动连接接口，完成部分连接设计。



整体设计图如下，

添加按键消抖IP

由于ddr读写IP的axi_init_axi_txn接入的是按键，这里按键按下会产生抖动，axi_init_axi_txn与好多读写信号关联，如果不添加消抖IP，在按键按下的时，产生的毛刺会进行影响后续的操作，从而导致读写操作的错误，也就是读写操作的指示灯会亮起。



系统复位后， 状态机处于初始状态，在该状态下等待外部输入的启动传输脉冲 init_txn_pulse。一旦检测到 init_txn_pulse 为高电平，状态机跳转到 INIT_WRITE 状态。在 INIT_WRITE 状态下， 状态机拉高 start_single_burst_write 信号， 来不断地启动 AXI4 Master 接口对Slave 端大小为 4KB 的存储空间进行突发写操作。写操作完成后， write_done 信号会拉高，状态机进入INIT_READ 状态。在 INIT_READ 状态下， 状态机拉高 start_single_burst_read 信号， 不断地启动 AXI4 Master 接口对 Slave端同一存储空间进行突发读操作， 同时将读出的数据与写入的数据进行对比。读操作完成后， read_done 信号拉高，状态机进入 INIT_COMPARE 状态。在 INIT_COMPARE 状态下， 判断 AXI4 接口在读写过程中的是否发生错误， 并将错误状态赋值给ERROR 信号， 然后将 compare_done 信号拉高，表示一次读写测试完成。最后跳转到 IDLE 状态，等待下一次读写操作的启动信号。这里的消抖模块直接添加之前写过的按键消抖模块即可，这里给出我的设计：

module key_filter(
Clk,      //50M时钟输入
Rst_n,    //模块复位
key_in,   //按键输入
key_flag, //按键标志信号
key_state //按键状态信号
);

input Clk;
input Rst_n;
input key_in;

output reg key_flag;
output reg key_state;

localparam
IDEL= 4'b0001,
FILTER0= 4'b0010,
DOWN= 4'b0100,
FILTER1 = 4'b1000;

reg [3:0]state;
reg [19:0]cnt;
reg en_cnt;//使能计数寄存器

//对外部输入的异步信号进行同步处理
reg key_in_sa,key_in_sb;
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)begin
key_in_sa <= 1'b0;
key_in_sb <= 1'b0;
end
else begin
key_in_sa <= key_in;
key_in_sb <= key_in_sa;
end

reg key_tmpa,key_tmpb;
wire pedge,nedge;
reg cnt_full;//计数满标志信号

//使用D触发器存储两个相邻时钟上升沿时外部输入信号（已经同步到系统时钟域中）的电平状态
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)begin
key_tmpa <= 1'b0;
key_tmpb <= 1'b0;
end
else begin
key_tmpa <= key_in_sb;
key_tmpb <= key_tmpa;
end

//产生跳变沿信号
assign nedge = !key_tmpa & key_tmpb;
assign pedge = key_tmpa & (!key_tmpb);

always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)begin
en_cnt <= 1'b0;
state <= IDEL;
key_flag <= 1'b0;
key_state <= 1'b1;
end
else begin
case(state)
IDEL :
begin
key_flag <= 1'b0;
if(nedge)begin
state <= FILTER0;
en_cnt <= 1'b1;
end
else
state <= IDEL;
end

FILTER0:
if(cnt_full)begin
key_flag <= 1'b1;
key_state <= 1'b0;
en_cnt <= 1'b0;
state <= DOWN;
end
else if(pedge)begin
state <= IDEL;
en_cnt <= 1'b0;
end
else
state <= FILTER0;

DOWN:
begin
key_flag <= 1'b0;
if(pedge)begin
state <= FILTER1;
en_cnt <= 1'b1;
end
else
state <= DOWN;
end

FILTER1:
if(cnt_full)begin
key_flag <= 1'b1;
key_state <= 1'b1;
state <= IDEL;
en_cnt <= 1'b0;
end
else if(nedge)begin
en_cnt <= 1'b0;
state <= DOWN;
end
else
state <= FILTER1;

default:
begin 
state <= IDEL; 
en_cnt <= 1'b0;
key_flag <= 1'b0;
key_state <= 1'b1;
end

endcase
end



always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
cnt <= 20'd0;
else if(en_cnt)
cnt <= cnt + 1'b1;
else
cnt <= 20'd0;

always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
cnt_full <= 1'b0;
else if(cnt == 20'd999_999)
cnt_full <= 1'b1;
else
cnt_full <= 1'b0;

endmodule

添加完模块后系统设计如下：注：axi_init_axi_txn是上升沿有效，这里为了保证系统上电后是初始默认随机状态，要确保按键未按下给启动脉冲时，是低电平。因为PYNQZ2开发板按键默认电位是低，按下为高，这里不用进行处理，若按键按下后为低，默认拉高，这里可以对按键进行添加非逻辑的IP进行取反。（使用 utility vector logic IP完成配置）

双击DDR读写的IP核进行配置，这里没有用到user的接口所以都设置为0，如图：



对于Base address，我们可以查看下接口的地址范围，避免数据操作超过可操作范围，这里我们就取中间值0X10000000。



然后我们进行generate output product 然后生成HDL封装。接着就对应引脚进行引脚约束即可(PYNQ的粉色开发板可以直接引用这个约束）：

##LEDs
set_property -dict { PACKAGE_PIN R14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { m0_axi_error_0 }]; #IO_L6N_T0_VREF_34 Sch=led[0]
set_property -dict { PACKAGE_PIN P14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { m0_axi_txn_done_0}]; #IO_L6P_T0_34 Sch=led[1]

##Buttons
set_property -dict { PACKAGE_PIN D19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { key }]; #IO_L4P_T0_35 Sch=btn[0]

完成约束后进行综合布局布线，等待生成bit流文件。



bit文件生成后在FILE处，点击导出硬件资源（包含bit流文件），接着launch SDK。

SDK软件部分

打开SDK后，新建application project。在main.c中输入以下代码：

#include "stdio.h"
#include "xil_cache.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xil_io.h"
int main(){
int i;
char chardata;
Xil_DCacheDisable();
printf("AXI4-FULL RW TEST~

");
while(1){
scanf("%c",chardata);
if(chardata="y"){
printf("start
");
for(i=0;i<4096;i=i+4){
printf("%d is %d
",i,(int)(Xil_In32(0x10000000+i)));
}
}
}
return 0;
}

代码简要说明

这里使用的IP我们设定成不需要进行缓存的，所以在main函数中调用Xil_DCacheDisable();。使用Xil_In32()，对DDR对应位置的数据进行读取。参数只需要传递所要读取的地址即可。因为一次写入的数据是32位的，每个地址的数据位宽是8位，所以在for循环中使用了i=i+4。

在串口中使用printf("%d is %d ",i,(int)(Xil_In32(0x10000000+i)));对相应地址的数据进行读取显示。

运行效果

当按键未按下时，也就是未进行写入操作直接读取数据，DDR中的数据是默认的随机状态，如下所示：

当按键按下后，IP完成数据写入操作，数据是从1-1024自增的

如何波形进行debug？

这里我们选中要进行DEBUG的数据信号右击选中debug




然后点击自动连接，完成debug功能搭建



综合后会多出ILA的IP进行波形分析帮助DEBUG。

然后打开硬件设备，如下图在ila界面即可看到我们debug的波形数据了。



添加触发条件，标号2是单次触发，标号1是一直运行debug抓取波形。

审核编辑：刘清