AXI DMA (四)

标签：DMA 传输描述符 MM2S AXI 数据包

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前言

本章继续介绍AXI DMA的Scatter/Gather Mode的使用。

一、Typical System Interconnect

1. AXI DMA 核心的连接

AXI DMA 核心 通过 AXI Interconnect 连接到用户系统的其他模块。这意味着 AXI DMA 是通过 AXI 总线与系统中的其他硬件组件（如处理器、内存等）进行通信的。
典型的 MicroBlaze™ 处理器配置：该配置展示了一个典型的嵌入式处理器（MicroBlaze）与 AXI DMA 核心如何连接。MicroBlaze 是 Xilinx 的一种软处理器，通常用于 FPGA 中的系统中。

2. AXI DMA 与处理器的通信

AXI4-Lite 接口：MicroBlaze 通过 AXI4-Lite 接口访问 AXI DMA 核心。AXI4-Lite 是一种简化版的 AXI 协议，用于低带宽、简单控制的应用。在这里，AXI4-Lite 接口主要用于控制和配置 DMA 操作（如启动 DMA、设置传输长度等）。

3. Scatter/Gather 引擎

Scatter/Gather 引擎 是一个集成的功能模块，负责从系统内存中获取 Buffer Descriptors（缓冲区描述符）。这些描述符定义了数据传输的目标地址、传输长度等信息。
- Buffer Descriptors 是一组数据结构，用于描述 DMA 传输的块，指示如何进行数据传输。
- 引擎根据这些描述符来协调数据从 AXI 接口传输到 DDR 内存或从 DDR 内存传输到其他外设。

4. 主数据传输

引擎将缓冲区描述符传递给 DMA 核心后，DMA 核心执行 主数据传输，即将数据从 AXI IP（如 Ethernet、存储器等）传输到 DDR（动态随机访问存储器），或者从 DDR 中读取数据并传输到其他硬件。

5. 可选的控制和状态流

控制和状态流 是可选的功能模块，用于与与数据传输相关的其他信息（例如校验和卸载控制/状态）进行通信。
- 这些流提供了数据包相关的信息，通常在 Ethernet 等协议栈中使用。例如，校验和卸载（checksum offload）可以通过控制流来指示是否进行校验和计算。
- 这些控制和状态流允许 DMA 在与 IP（如 Ethernet）进行数据传输时，也能传递和接收一些元数据或控制信息。

6. 中断系统

双中断输出：AXI DMA 核心具有两个中断输出，这些中断可以用来通知系统不同的事件，如数据传输完成、传输错误等。
- 这些中断信号会路由到 系统中断控制器，从而触发相应的中断处理程序进行响应。中断可以用来实现高效的事件驱动机制，不必不断轮询 DMA 状态寄存器。

二、Scatter/Gather Mode

1. 描述符链（Descriptor Chain）

描述符链 是 AXI DMA 操作所需的内存数据结构，它包含了一系列的 DMA 操作。每个描述符包含一个指向下一个描述符的指针，形成一个链式结构。
描述符链中的 最后一个描述符 会指向链中的 第一个描述符，从而形成一个环形结构，确保 DMA 能够持续进行数据传输。
描述符的每个条目（descriptor）可能包含关于数据块传输的关键信息，如数据源地址、目标地址、传输长度、控制信息等。

2. Scatter Gather 操作

Scatter Gather 操作允许一个数据包由多个描述符来描述。例如，数据包的头部（header）可以存储在内存中的一个位置，而有效负载（payload）可以存储在另一个位置。这使得软件能够灵活地管理内存中分散的数据块，提高吞吐量。
这种方式的一个典型用法是，存储数据包的不同部分（如头部和负载）时，通过不同的描述符分别访问不同的内存位置。

3. TXSOF 和 TXEOF

TXSOF（Start of Frame）和 TXEOF（End of Frame）是描述符链中用于标识数据包开始和结束的标志位。
- 当 DMA 从描述符链中获取一个描述符，并且该描述符的 TXSOF 位被设置时，DMA 就会触发一个数据包的开始。
- 接下来，DMA 会依次处理链中的下一个描述符，直到找到一个 TXEOF 位被设置的描述符，此时数据包传输完成。

4. RXSOF 和 RXEOF（接收通道）

在 S2MM（接收通道） 中，数据包的接收过程也通过描述符链进行标识。
- 当数据包开始接收时，AXI DMA 会将描述符的 RXSOF 位设置为 1，表示该描述符关联的缓冲区包含数据包的开始部分。
- 如果接收到的数据包比当前描述符所指定的字节数更多，DMA 会继续使用下一个描述符中的缓冲区来存储接收数据包的其余部分，直到整个数据包接收完毕。
- 当接收到的数据包的 最后一部分 被存储完后，DMA 会在处理的描述符中设置 RXEOF=1，这表示该描述符关联的缓冲区包含数据包的结束部分。

5. 字节传输统计

每个描述符的状态字段会记录实际传输的字节数。软件可以通过遍历从 RXSOF 到 RXEOF 的描述符链来计算整个接收包的总字节数。
- 这意味着软件需要根据从 RXSOF 开始的描述符链，逐个检查描述符中的字节数，直到到达 RXEOF 描述符为止，从而得出整个数据包的总传输字节数。

6. 性能优化

Scatter Gather 操作通过 连续获取下一个描述符 和 存储剩余数据 的方式来优化 DMA 性能。DMA 通过这种机制高效地处理多个数据块的传输，减少了中间缓冲和延迟，提升了吞吐量。

7. 操作启动

Scatter Gather 操作的启动需要配置 控制寄存器 和 描述符指针，确保 DMA 可以从正确的地址和长度开始处理数据。

三、A DMA operation for the MM2S channel is set up and started by using the following sequence:

启动描述符：
- 向当前描述符寄存器写入起始描述符的指针。
- 如果AXI DMA的地址空间大于32位（即支持大于4GB的地址空间），还需要编程当前描述符的高32位地址。
启动MM2S通道：
- 通过设置MM2S_DMACR.RS = 1来启动MM2S（Memory to Stream）通道。
- 此时Halted bit（DMASR.Halted）应解除，表示MM2S通道已开始运行。
启用中断（可选）：
- 如果需要中断处理，设置MM2S_DMACR.IOC_IrqEn和MM2S_DMACR.Err_IrqEn为1，启用中断。
- IOC_IrqEn为完成中断，Err_IrqEn为错误中断。
设置尾描述符：
- 向尾描述符寄存器写入有效指针。
- 如果AXI DMA的地址空间大于32位，同样需要编程尾描述符的高32位。
启动DMA：
- 写入尾描述符寄存器后，DMA开始从内存中获取描述符。
- 如果配置了多通道，描述符的获取在S2MM（Stream to Memory）通道接收到数据包后开始。
数据处理：
- 获取到描述符后，DMA将从内存中读取数据，并将数据输出到MM2S流通道。