基于Lemon ZYNQ的PS实验十五 PS与PL数据交互之 PS访问 PL端的BRAM资源实现PS与PL数据交互

本章节将演示 PS 访问 PL 端的 BRAM 资源，从而实现FPGA端和PS端的简单数据交互。

此章节内容适用于Lemon ZYNQ主板，如是其他板子请看对应板子目录
本文在 vivado2018.3版本上演示

PS端与PL端在硬件上是相互独立的，之前介绍过通过寄存器的方式以及通过DDR的方式来实现数据交互，两者各有优缺点，寄存器的方式较为灵活但是受限于FPGA的逻辑资源数量，所以仅适用于小数据量通讯（几个或者几十个字节），而DDR支持大容量的数据存储，但数据必须是连贯的（对不连贯的数据，读取会比较慢），而BRAM就是一种折中的方式，可以实现少量（7020有4.9Mbit 的BRAM ）不连续数据的读取。

Block Ram （Bram）原本是PL 端的资源，曾经我们在实验基于Lemon ZYNQ的FPGA实验九 FPGA片内资源 BLOCK RAM IP核的使用中介绍过如何在FPGA端使用 BRAM。 PS本身并不能直接读写 BRAM 的数据。但是我们可以通过AXI BRAM Controller IP 核来控制BRAM资源。

下面将进行具体的演示

一、创建工程

1）打开Vivado 新建一个项目，新建一个VIVADO 工程，打开软件选中Create Project, 如下图所示

2）点击NEXT ，在出现的第二个对话框“Project name”中输入工程名；在“Project location”中选择保存路径；勾选“Create project subdirectory”（默认），最后点击“Next” 备注，所有的路径均不能出现中文名称

3)点击 RTL PROJECT 选项，点击NEXT

4）第四步Add Sources 选项直接留空，NEXT

5）第五步Add Constraints 选项直接留空，NEXT

6) 选择芯片型号板子的芯片型号为 XC7Z020 封装是CLG484 所以型号我们选择 xc7z020clg400-1 （如果是XA7Z020的车规级芯片版本，这里也选xc7z020clg400-1）

7）确认所选信息点击“Finish”，完成vivado的工程创建

之后工程就新建好了， vivado 进入到开发界面

二、Vivado 部分设计

Vivado 部分工程的创建和之前已经介绍过很多次了，所以这里仅仅介绍重点：

创建一个BLOCK设计

1）IP INTEGRATOR→Create Block Design，在弹出的对话框中输入设计名，最后点击“OK”，如下图所示

2)在右侧的窗口里，点击加号，在选择框里搜索ZYNQ，并找到ZYNQ7 PROCESSING SYSTEM ，双击并打开

3）软件自动生成了一个 zynq的block 如下图所示，接下来要做一些相应的设置，双击下图中的ZYNQ核

4）依次在弹窗里找到DDR Configuration→DDR Controller Configuration→DDR3，在Memory Part下拉菜单中根据自己板子上的DDR来选择相应的DDR3，本实验所用到型号：MT41K256M16RE-125，数据位宽选择16bit 最后点击“OK”,如下图所示。

5）因为Lemon ZYNQ主板的PS时钟是50M的晶振输入的，所以这里需要把默认的PS输入时钟33.33M改成50M

6）在PS的MIO配置选项增加UART部分，使能UART 0 并在IO选项里选择MIO(14-15)方式

7) 搜索并添加 AXI BRAM Controller IP 核，实验本身分两部分，第一部分是对其中一个bram进行读写，另一部分是PS写 BRAM 然后 PL读BRAM。所以这里需要添加三个AXI BRAM Controller IP 核

打开 AXI BRAM Controller 的参数设置页，如下图所示调整 Number of BRM Interface 为1 （这样一个IP 负责读，一个IP负责写可以更好的进行演示） 备注：三个IP都需要进行设置

8）搜索并添加 AXI BRAM Controller IP 核（这个就是PL端的BRAM 了）备注：这里需要添加两个Bram

类型选择真双口 RAM： True Dual Port RAM ，这里的BRAM 不能调整容量位宽，所以 Port A 和Port B 的地方保留默认就好。

在 Other Options 中去掉 Enable Safety Circuit 选项

9）至此，我们有2个BRAM 和 3个 AXI BRAM Controller IP 核

10）分别点 Run Block Automation 和Run Connection Automation

此后，系统将自动帮我们把需要的连线以及缺少的模块给补充好，从下图可以看到BRAM 0的 A口和B口分别接到axi_bram_ctrl_0 和axi_bram_ctrl_1上了，而另一个BRAM 1的A口接在了axi_bram_ctrl_2上， B口暂时留空，后面将引出以接FPGA的逻辑使用。

11）右键选择BRAM模块的PORTB口，然后选择Make External，引出BRAM口

下图是本次工程完整的 BD 图

12) 在source→Design Source ，右键我们创建的BLOCK工程，点击create HDL wrapper，打包BLOCK文件并生成.v代码

在弹出的菜单里直接点选OK

PL部分代码设计

添加ILA模块

1）为了方便演示观察结果，这里我们添加一个ILA 模块

2）修改ILA的参数观察的探针设置成2个，两个探针的位宽都设置成32

添加顶层模块

1）回到vivado 主界面，点选Add_Sources ，点选 add or create design souces 创建一个新的.v文件

2）点选Create File 在弹出的对话框里输入要添加的 .V文件的文件名（这里是 TOP_MODULE）

3）在下一个窗口点OK 完成

双击打开我们刚刚创建的TOP_MODULE 顶层模块，添加下列代码

`timescale 1ns / 1ps

module TOP_MODULE(
    input  CLK_125M
);
  
reg  [31:0]BRAM_addr;
wire [31:0]BRAM_dout;
reg  [31:0]BRAM_addr_Lag;
     
always@(posedge CLK_125M)begin
    BRAM_addr_Lag<=BRAM_addr;
   
    if(BRAM_addr>=32'd19)
         BRAM_addr<=32'd0;
    else 
         BRAM_addr<=BRAM_addr+1'b1; 
end

ila_0  u_test(
   .clk(CLK_125M),
   .probe0(BRAM_addr_Lag),
   .probe1(BRAM_dout)
);        
    
ZYNQ_CORE_wrapper u_zynq( 
    .BRAM_PORTB_0_addr(BRAM_addr),
    .BRAM_PORTB_0_clk(CLK_125M),
    .BRAM_PORTB_0_din(32'd0),
    .BRAM_PORTB_0_dout(BRAM_dout),
    .BRAM_PORTB_0_en(1'b1),
    .BRAM_PORTB_0_rst(1'b0),
    .BRAM_PORTB_0_we(4'd0)
);    
   
endmodule

代码中例化了 ZYNQ 核，以及我们刚刚创建的ILA模块，并且定义了一个从0-19自增的地址BRAM_addr。备注，这里除了定义了BRAM_addr 之外，另外还定义了一个地址BRAM_addr_Lag，这个地址较BRAM_addr 将滞后一拍，用来和BRAM输出的数据对齐用（因为BRAM输出的数据会滞后一个CLK）

4) 点击绿色箭头RUN 对代码进行编译

5) 增加时钟管脚定义，点击RTL 中的SCHEMATIC , 并选择右边出现的 IO Ports 来增加时钟部分的管脚定义(这一步也可以在约束文件中定义, 可看之前的例子) 因为ZYNQ DDR之类的脚没有完全引出到TOP模块，所以可能会报警，无视就好了 设置好之后保存

6) 生成bit文件 :按下Generate Bitstream 完成综合以及生成bit文件，等待弹出综合完成的窗口

三、SDK部分设计

1）File→Export→Export hardware…在弹出的对话框中勾选“include bitstream”，点击“OK”确认，如下图所示。

2）File→Lauch SDK，在弹出的对话框中，保存默认，点击“OK”，如下图所示。

系统将自动打开SDK开发环境

3）新建一个工程 file→new→Application Project，来新建一个“Application Project”，如下图所示。

4）在新建工程名中输入自己的工程名称，点击NEXT

5）选择空工程，点击完成FINISH

6)右键工程的SRC目录，然后新建一个SOURCE FILE

取名 main.c

7) 在main .c中添加如下代码

#include <stdio.h>
#include "xil_io.h"
#include "xparameters.h"
#include "xbram.h"

#define BRAM_CTRL_0_BASE      XPAR_AXI_BRAM_CTRL_0_S_AXI_BASEADDR
#define BRAM_CTRL_1_BASE      XPAR_AXI_BRAM_CTRL_1_S_AXI_BASEADDR
#define BRAM_CTRL_2_BASE      XPAR_AXI_BRAM_CTRL_2_S_AXI_BASEADDR

char test_string[]="Hello FPGA";
int main(){

    int num,str_len;
    int str_rev;
    xil_printf("test start\n\r");
    str_len=strlen(test_string);
    for( num=0; num<str_len; num++ ){
        XBram_WriteReg(BRAM_CTRL_0_BASE , num*4, test_string[num]);
    }

    for( num=0; num<str_len; num++ ){
        str_rev = XBram_ReadReg( BRAM_CTRL_1_BASE, num*4);
        printf("The data for the address %x is %c\n\r",BRAM_CTRL_1_BASE+num*4,str_rev);
    }

    xil_printf("test over!\n\r");
    xil_printf("\n\r");


    for( num=0; num<5; num++ ){
	   XBram_WriteReg(BRAM_CTRL_2_BASE , num*4, num+1 );
    }

   return 0;
}

程序功能介绍： BRAM_CTRL_0_BASE，BRAM_CTRL_1_BASE，BRAM_CTRL_2_BASE 分别对应的三个BRAM控制器的基地址，其中BRAM_CTRL_0和BRAM_CTRL_1两个控制器分别接在同一个BRAM0的 A口和B口，而BRAM_CTRL_2 则是接在另一个BRAM1上，这个BRAM的B口将与PL端的逻辑连接。

程序运行过程

通过 BRAM_CTRL_0 对 BRAM0 写入字符串 “Hello FPGA”
通过 BRAM_CTRL_1 从 BRAM0 中读出对应地址的数据，并通过串口进行打印，如果之前的内容写入成功，则这里读出的数据也将是 “Hello FPGA”
通过 BRAM_CTRL_2 对 BRAM1 写入顺序的0 ，1，2，3，4 （这里的验证将通过 PL端的 ILA来演示）

这里有个地方要注意 由于在ZYNQ中最小可寻址单元为字节，因此1个32位数据需占用4个地址，每次写入的地址都需要加4