【FPGA ZYNQ Ultrascale+ MPSOC教程】33.BRAM實現PS與PL交互

原創聲明：

本原創教程由芯驛電子科技（上海）有限公司（ALINX）創作，版權歸本公司所有，如需轉載，需授權并注明出處（www.alinx.com）。

適用于板卡型號：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

實驗Vivado工程目錄為“bram_test /vivado”。

實驗vitis工程目錄為“bram_test /vitis”。

有時CPU需要與PL進行小批量的數據交換，可以通過BRAM模塊，也就是Block RAM實現此要求。本章通過Zynq的GP Master接口讀寫PL端的BRAM，實現與PL的交互。在本實驗中加入了自定義的FPGA程序，并利用AXI4總線進行配置，通知其何時讀寫BRAM。

以下為本實驗原理圖，CPU通過AXI BRAM Controller讀取BRAM數據，CPU僅配置自定義的PL BRAM Controller的寄存器，不通過它讀寫數據。

FPGA工程師工作內容

以下為FPGA工程師負責內容。

1. 硬件環境搭建

以“ps_hello”為基礎，另存為一份工程，并配置打開ZYNQ的中斷

1）首先添加AXI BRAM Controller模塊，用于PS端控制BRAM，雙擊打開配置，連接AXI總線，可用于讀寫BRAM模塊，AXI模式設置為AXI4，數據寬度設置為32位，memory depth不在這里設置，需要在Address Editor里設置。BRAM端口數量設置為1個，用于連接雙口RAM的PORTA。不使能ECC功能。

由于AXI4總線為字節詢址，BRAM數據寬度設置也是32位，同樣都是32位數據寬度，因此在映射到BRAM地址時，需要按4字節詢址，即去掉最后兩位，下圖為BRAM控制器與BRAM的映射關系。

2）添加BRAM模塊，BRAM設置如下，有兩種模式選擇，standalon模式，此模式可以自由配置RAM的數據寬度和深度。BRAM Controller模式，此模式下地址線和數據端口默認為32位，本實驗因為用到了BRAM控制器，因此選擇BRAM Controller模式。Memory類型選擇雙口RAM，一端連BRAM控制器，一端連PL RAM控制器。

3） 添加自定義的PL RAM控制器pl_ram_ctrl，功能很簡單，start信號有效后開始讀取BRAM的數據，可通過ILA邏輯分析儀觀察讀取的數據，PL RAM控制器讀BRAM結束后，開始向BRAM寫數據，寫完數據使能intr信號，即中斷信號，CPU即可讀取BRAM的數據。將PL控制器信號與BRAM的PORTB連接。自定義IP在ip_repo文件夾中。

如果想添加自定義IP到IP庫中，點擊IP Catalog，在Vivado Repository右鍵點擊Add Repository

找到自定義IP所在文件夾，點擊Select

跳出窗口，選擇IP，點擊OK

即可看到，出現了剛添加的IP

4）連接AXI BRAM Controller的BRAM_PORTA到BRAM的PORTA，連接pl_bram_ctrl的BRAM_PORT到BRAM的PORTB。連接pl_bram_ctrl模塊的中斷信號intr到ZYNQ的中斷口。并點擊自動連接

5）在Address Editor里選擇BRAM詢址大小，如設置4K空間，即可詢址BRAM空間為1K深度。

Block Design添加邏輯分析儀方法

1）再介紹一種添加邏輯分析儀的方法，選中BRAM_PORT總線和intr中斷，右鍵選擇Debug

2）可以看到總線上多了小昆蟲，點擊Run Connection Automation，自動連接

自動添加了一個ILA模塊，并且有一個總線接口，一個信號接口

3）保存設計，之后點擊Generate Bitsream生成bit文件，并導出Hardware信息。

軟件工程師工作內容

以下為軟件工程師負責內容。

2. Vitis程序開發

1）程序設計流程為：輸入起始地址和長度CPU通過BRAM控制器寫入BRAM數據通知PL控制器讀取BRAM數據PL內部讀完后向相同位置寫入數據，初始數據由CPU告知寫完后使能write_end信號，觸發GPIO中斷中斷讀取BRAM數據，打印顯示

2）進入Vitis后，在Vitis下新建項目，已經準備好程序。程序也比較簡單，首先中斷設置

3）While語句中需要輸入起始地址和長度，之后調用bram_write函數

4）在bram_read_write();函數里先通過BRAM控制器寫入數據，數據初值為TEST_START_VAL，之后配置PL RAM控制器參數，有長度，起始地址，初始數據，以及開始信號。并在函數中判斷測試長度是否超出BRAM控制器地址范圍，如果超出，會報錯，需要重新輸入地址和長度。

5）中斷服務程序中，BRAM控制器讀取BRAM的數據，并打印

3. 實驗現象

1）打開串口

2）通過Run Configurations下載程序

3）打開Vivado的Hardware Manager（與PL端聯合調試），設置將intr中斷信號作為觸發信號，選擇上升沿觸發，點擊開始按鈕，可以看到hw_ila_1變成了Waiting for trigger狀態

4）在串口軟件中，輸入起始地址，由于BRAM詢址為1K，那么可以設置為0~1023，長度設置為1~1024，注意起始地址+長度不要超過1024，因為超出了詢址空間。

5）輸入的數據為十進制數，輸入結束按回車

6）打開ILA邏輯分析儀，可以看到已經觸發，首先是PL控制器從BRAM讀數據，之后是寫數據，可以看到紅色為PL讀出的BRAM數據，正是CPU寫入的數據，從12開始，共10個數據，PL寫入的數據為黃色部分從1開始，共10個數據，正與上圖CPU讀BRAM的數據相符。

同樣也能看到中斷信號的狀態

7）如果超出范圍，打印錯誤信息，需要重新輸入有效信息

4. 本章小結

以上就是PS與PL通過BRAM實現低帶寬數據交互的實驗，兩者通過GP口進行數據互連，可以實現小批量的數據交互。

知識點為邏輯分析儀的使用，中斷的使用，自定義IP等。