Xilinx-PYNQ_Z2系列-學習筆記（12）：使用pynq進行PS和PL的通信方式

該博文參考pynq官方手冊：https://pynq.readthedocs.io/en/v2.3/overlay_design_methodology/pspl_interface.html

PS/PL接口

Zynq PS 與PL之間一共有9個AXI 接口，在PL一側有4個AXI Master HP（High Performance）口，2個AXI Master GP（General Purpose）口，2個AXI Slave GP口跟1個AXI Master ACP口，在PS一側擇相反，master跟slave相互調換。

對應pynq主要有四個類用來管理PS（包括PS DRAM）和PL之間的數據移動。

GPIO（General Purpose Input/Output）基本的輸入輸出
MMIO（Memory Mapped IO）內存映射的輸入輸出
Xlnk（Memory allocation）內存申請
DMA（Direct Memory Access）直接內存訪問

其中使用哪個類取決於IP連接到的Zynq PS接口以及IP的接口。

在PYNQ上運行的python代碼可以訪問連接到AXI Slave GP的IP。此時MMIO接口可以用來執行該操作。

連接到AXI Master 端口的IP不受PS的直接控制。AXI Master端口允許IP直接訪問DRAM，因此在這操作之前需要爲IP分配內存，Xlnk可以完成此任務。

爲了在PS DRAM和IP之間實現更高性能的數據傳輸，可以使用DMA。

1. PS GPIO

PS和PL之間一共有64 bit GPIO，PS的GPIO可以作爲一種在PS和PL數據交換的簡單的方法，比如中斷控制信號、復位控制信號。另外，使用GPIO，IP核並不需要通過映射內存到系統的方式進行通信。

舉例：

from pynq import GPIO

output = GPIO(GPIO.get_gpio_pin(0), 'out')
input = GPIO(GPIO.get_gpio_pin(1), 'in')

output.write(0)
input.read()

代碼解讀：
>>>from pynq import GPIO: 將GPIO類導入，從而使用GPIO類中的一些函數。

>>>GPIO.get_gpio_pin(0): 用來獲得一個GPIO的pin值，這裏gpio_user_index是從0開始的一個數字。

從上圖可以看出，該函數的返回值pin number爲GPIO的基地址+GPIO偏移量+用戶輸入的index，這裏的GPIO基地址=906，GPIO偏移量爲54，用戶index=0。所以GPIO.get_gpio_pin(0)的返回值爲960。

>>>output = GPIO(GPIO.get_gpio_pin(0), ‘out’): 通過GPIO類的初始化來獲得一個配置好方向和pin號對應的GPIO對象。

這裏將此對象賦給output。
>>>output.write(0): 通過調用函數實現對該pin number對應的GPIO進行讀寫操作。

2. MMIO

連接到AXI GP端口的任何IP都將映射到系統內存中去，可以使用MMIO從Python訪問IP的寄存器或地址空間。一個MMIO讀寫命令可以傳輸32bit的數據，但由於MMIO不支持突發指令，所以MMIO適合IP通過PS的AXI slave GP口讀取少量的數據。

舉例：

IP_BASE_ADDRESS = 0x40000000
ADDRESS_RANGE = 0x1000
ADDRESS_OFFSET = 0x10

from pynq import MMIO
mmio = MMIO(IP_BASE_ADDRESS, ADDRESS_RANGE)

data = 0xdeadbeef
mmio.write(ADDRESS_OFFSET, data)
result = mmio.read(ADDRESS_OFFSET)

代碼解讀：
這段示例首先申請了一段以0x40000000爲基地址，設置1000爲地址範圍MMIO，並設置0x10爲偏移量。

>>>mmio = MMIO(IP_BASE_ADDRESS, ADDRESS_RANGE): 通過MMIO類來獲得一個配置好基地址和地址範圍的MMIO對象，並賦給mmio。

>>>mmio.write(ADDRESS_OFFSET, data): 調用mmio的write函數實現對MMIO的偏移量下的地址進行數據的寫入。

>>>result = mmio.read(ADDRESS_OFFSET): 通過讀該地址寫的數據，發現是之前寫入的0xdeadbeef。

3. Xlnk

該接口必須申請內存後才能被IP使用，所以我們可以使用xlnk來申請一段連續內存緩衝區，該緩衝區允許PS跟PL之間進行有效的數據傳輸，Python或者其他在linux運行的代碼都可以使用這段內存。
當我們Pynq在linux運行的時候，申請的緩衝區存在於Linux虛擬內存中，我們可以使用IP的AXI master的端口對Zynq的AXI Slave端口進行訪問，並且使用overlay的方式可以進入然物理地址，xlnk可以提供物理內存的指針到緩存區，然後通過緩存區給到IP。

舉例：

#分配內存緩衝區
from pynq import Xlnk
import numpy as np

xlnk = Xlnk()
input_buffer = xlnk.cma_array(shape=(5,), dtype=np.uint32)

#內存緩衝區屬性
input_buffer.physical_address

#向緩衝區中寫入數值
for i in range(5):
    input_buffer[i] = i

代碼解讀：
>>>xlnk = Xlnk(): 初始化新的Xlnk對象。

>>>input_buffer = xlnk.cma_array(shape=(5,), dtype=np.uint32): 得到一個內存地址連續的numpy數組。可以通過屬性physical_address來查看物理地址；當該數組不再使用時，可以通過array.freebuffer() 或 array.close() 來對其進行關閉。
這裏申請的數組是一種形狀爲（5,），類型爲uint32的數組。

>>>input_buffer.physical_address: 這裏返回的是你申請的數組的地址。
>>>input_buffer[i] = i: 對地址進行賦值，注意這裏賦值的內容不能超過申請的數組維度。假設你申請了（5,），你就不能賦值0~6。

4. DMA

AXI stream 通常用在高性能的應用程序，AXI流程序可以通過DMA與Zynq AXI HP端口一起使用，Pynq的DMA可以通過AXI直接訪問IP，我們可以從DRAM讀取數據，並且將數據發送到AXI流，或者從流中接受數據寫到DRAM中去。

讀通道從PS DRAM讀取並寫入流。寫通道將從流中讀取，然後寫回到PS DRAM。
當事務完成時，DMA期望連接到DMA（寫通道）的任何流IP都將設置AXI TLAST信號。 如果未設置，則DMA將永遠不會完成事務。

舉例：

import pynq.lib.dma
from pynq import Xlnk
from pynq import Overlay

ol = Overlay("base.bit")
dict1 = ol.ip_dict['trace_analyzer_pmodb/axi_dma_0']
#初始化兩個類
xlnk = Xlnk()
dma = DMA(dict1)
#申請兩段緩衝器
input_buffer = xlnk.cma_array(shape=(5,), dtype=np.uint32)
output_buffer = xlnk.cma_array(shape=(5,), dtype=np.uint32)
#要發送的數據
for i in range(5):
    input_buffer[i] = i
#數據的迴環測試
dma.sendchannel.transfer(input_buffer)
dma.recvchannel.transfer(output_buffer)
dma.sendchannel.wait()
dma.recvchannel.wait()

代碼解讀：
>>>dict1 = ol.ip_dict[‘trace_analyzer_pmodb/axi_dma_0’]: 獲得一個IP字典中描述DMA引擎的條目用於DMA的初始化description參數。

>>>xlnk = Xlnk()和dma = DMA(dict1)： 初始化Xlnk和DMA兩個類。
>>>input_buffer = xlnk.cma_array(shape=(5,), dtype=np.uint32)： 用Xlnk類申請數組型的內存空間。
>>>dma.sendchannel.transfer(input_buffer)： 將內存中的數據發送到AXI流上。

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