从 IP 开始，学习数字逻辑：DataMover 基础篇

作者：李凡
来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/82129170

何为 DataMover

DataMover 很有趣的名字，他是谁，数据搬运工？那可得跟我们代码搬运工好生亲近下。-\_-

DataMover 是 DMA 的一种形式。Direct Memory Access 对我们来说是一个更熟悉的名字。在不需要 CPU 干预的情况下，DMA 可以进行数据的搬运，包括但不仅限于将数据从外部存储，比如 DDR，搬运到内部寄存器，或者搬运到外部存储的另一个位置。这些都只需要 CPU 一句话的事：

CPU：DMA，帮我搬个数据！
DMA：BOSS，你只需要告诉我从哪搬（起始地址），搬多少（字节长度），搬到哪！

然后 CPU 就可以爱干嘛干嘛，数据的搬运，和 DDR 打交道就全权由 DMA 负责了。

我们今天讨论的 DataMover 和上述典型的 DMA 的区别就在于，他不是由 CPU 来分配任务，而是由 FPGA 逻辑通过命令总线给出任务：从哪搬，搬到哪。

DataMover 的接口

那么 DataMover 是如何进行他的工作呢，我们可以从他的端口来了解。这里以 DM 的读通道为例。DataMover 共有三路接口（status 一般在调试中用于观察状态），一路 AXI 总线，两路 AXIS 总线。

AXI DataMover 读通道

读通道，将数据从如 DDR 这样的外部存储，搬运到 FPGA 的逻辑模块中。DDR 在 FPGA 上通过 MIG IP 访问，即 Memory 访问接口。MIG 提供了一个 AXI4 Slave 接口。DataMover 的 Master 接口连接到 MIG 的 Slave 接口，AXI4 协议提供了一种基于地址的访问 DDR 能力。关于 AXI4 对存储介质的地址访问，可以参考以下的文章，该文章中访问的是 BRAM ，但总线操作和访问 DDR 类似。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/46672113

连接DDR示意图

如何创建 DDR MIG 在各个开发板的教程中都有提及，Step by Step 设置自己的开发板上搭载的 DDR 芯片信息和引脚即可。如果你有钱....有幸能用 Xilinx 的评估板，那么 MIG 还可以一键建立，自动导入硬件和 DDR 信息。

（我们实验室就是这么有钱...有幸有很多板子，包括 Xilinx ZCU102/VCU709/ KCU116 等等，如果对 FPGA 开发有兴趣，欢迎在今年以及未来的考/保研中加入我们实验室，我们有不错的硬件条件和项目。PS：坐标东部沿海211，省部共建国家重点实验室）

无论是哪款开发板，都可以通过包含在 vivado 中的 MIG 中的示例工程对 MIG 进行仿真以及上板调试。

盗图自 xilinx PPT

从 MIG 中读取的 DDR 数据会以 AXI-Stream 总线的方式提供给逻辑部分。 AXI-S 总线相比上述的 AXI4-Full 协议，信号更少，逻辑也比较简单。你可以从以下的文章中了解 AXI-S 的定义：https://zhuanlan.zhihu.com/p/49834243

应用 AXI 协议没有定义说的那么复杂，以下是读取一段数据的示例。

简单的AXIS时序

tvalid 为高表示数据有效，tlast 置起表示当前是当次传输的最后一个数据，比如表示一次 DDR 读操作的结束。tkeep 表示数据中的有效字节，作用和 AXI4-Full 中的 strb 作用相同。

前文提到 DataMover 有两路 AXI-S 总线，一路总线是数据输出总线，将从 DDR 读取的数据输出。另一路为命令输入总线。

DataMover 命令

前文提到 DataMover 是由逻辑控制，控制的方式是通过命令输入 AXIS 总线输入 DataMover 命令。

DataMover 命令控制的就是读写操作的起始地址，传输字节长度。命令有如下的格式，根据地址宽度的不同，命令长度不同，一般地址宽度，N，取 32 比特，命令长度 72 比特。

命令格式

一般只需要关注三个字段，EOF 字段设为 1 ，其他字段可以暂时填 0，这些填充固定值的字段将在后续的文章中进行分析。

BTT：Byte to Transfer
传输字节数
SADDR： start address
起始地址
Type:
突发传输类型，这个字段在过去的 IP 核版本中没有启用（ISE 时代），默认为 incr
字段为 1 时：突发传输类型为 incr ，数据会保存在以起始地址开始递增的地址中
字段为 0 时：突发传输类型为 fixed，数据均保存在起始地址中，覆盖旧值

当地址为32bit宽时，cmd 为32（低32位）+32(地址)+4(TAG)+4(RSVD)=72 bit

AXI DataMover 写通道
写通道的逻辑与读通道相同，只是数据的方向相反。

仿真

这部分中将演示 DataMover 基本的读写方式，输入由 testbench 产生。后续的文章中会讨论一些更加实用的逻辑，应用于板级调试中。

读操作

通过 testbench 写入命令，这里定义了一个写入命令的 task，将起始地址和字节长度组装成一个命令。这里 #UI\_CLK\_PERIOD; 代表延时一个周期

//task: read channel
task mm2s_cmd;
    input logic[22:0] btt;
    input logic[31:0] saddr;
    logic [71:0] cmd = {
                            4'b0000,
                            4'b0000,
                            saddr,
                            1'b0,//DRR
                            1'b1,//EOF
                            6'b000000,//DSA
                            1'b1,//type 1:incr 0:fixed
                            btt
        };
    begin
    S_AXIS_MM2S_CMD_0_tdata=cmd;
    S_AXIS_MM2S_CMD_0_tvalid=1;
    #UI_CLK_PERIOD;
    S_AXIS_MM2S_CMD_0_tdata=0;
    S_AXIS_MM2S_CMD_0_tvalid=0;
    end 
endtask

调用 task，指定传输的长度以及起始地址。

mm2s\_cmd(23'd64,32'h00000000);

读数据时序

读取到 64 字节数据，因为数据位宽 32 字节，所以读到两个有效信号脉冲。

写操作

写入命令和读命令类似，写命令可以在写数据之前或者之后，没有严格的对应关系。通过 AXIS 总线写入数据， DataMover 内部有一定缓存空间，相当于向一个 FIFO 写入数据。定义了一个写入指定长度的 task ，写入 data\_num*32 bit 数据

//task:write data
 task s2mm_data;
 input logic [31:0] data_num;
 begin
        S_AXIS_S2MM_1_tvalid=1;
        S_AXIS_S2MM_1_tdata=256'h12345678123456781234567812345678;
        S_AXIS_S2MM_1_tkeep=32'hfffffffff;
        S_AXIS_S2MM_1_tlast=0;
        repeat(data_num-1)begin
        #UI_CLK_PERIOD;
        end
        S_AXIS_S2MM_1_tlast=1;
        #UI_CLK_PERIOD;
        S_AXIS_S2MM_1_tdata=0;
        S_AXIS_S2MM_1_tkeep=0;
        S_AXIS_S2MM_1_tlast=0;
        S_AXIS_S2MM_1_tvalid=0;
 end
endtask

写命令与写数据时序