正点原子官网([正点原子FPGA连载]第九章AXI4接口之DDR读写

正点原子官网。1）实验平台：正点原子达芬奇FPGA开发板

2) 摘自【正点原子】达芬奇之Microblaze 开发指南

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=624335496505

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz_dafenqi.html

5） 正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论：876744900

在前面的实验中，都是不带DDR的系统结构，本次实验将学习带DDR的MicroBlaze系统搭建过程。

点击“Open Block Design”，在Diagram窗口中进行硬件设计。

首先打开MicroBlaze IP核，点击该IP进行配置，这里启用存储于指令优化选项，如图 9.3.11所示：

图 9.3.11 MicroBlaze设置

继续点击“Next”至第3页Cache页，将地址设置如图 9.3.12所示：

图 9.3.12 地址设置

上处地址值必须与IP INITRATOR->Adress Editor->microblaze_0->的mig_7series_0数据和指令的地址值保持一致，如图 9.3.13所示：

图 9.3.13 MicroBlaze地址设置参考值

MicroBlaze IP核设置完毕。

双击Clocking Wizard时钟IP核，在Output Clocks页面，选中clk_out1和clk_out2，时钟频率分别设置为100和200，复位设为低电平，如图 9.3.14所示：

图 9.3.14 设置输出时钟

clk_out1是给microblaze_0、uart、spi等模块提供时钟；clk_out2给mig_7series_0模块提供时钟。

接着添加MIG（Memory Interface Generalor） IP核，点击“+”按钮，输入“MIG”，双击Memory Interface Generator，添加IP核，如图 9.3.15所示：

图 9.3.15 添加MIG IP核

双击添加的MIG IP，进入配置页面，我们在达芬奇开发板FPGA设计部分，已经对MIG的配置操作有过详细讲解，这里我们简略说明一下配置需主要的配置步骤。

在Controller Options目录，DDR芯片的运行时钟设为“400M”，DDR3芯片型号选择“MT41K128M16XX-15E”，数据位宽这里设为“16”。如图 9.3.16所示：

图 9.3.16 时钟及物理芯片配置

在Memory Options目录， Input Clock Period我们选择“200M”。如图 9.3.17所示：

图 9.3.17 储存器配置

在FPGA Options目录，按照图 9.3.18所示进行配置。

图 9.3.18 系统时钟配置

“Pin/Bank Selection Mode”我们选择第二项，后面我们会使用.xdc文件。

图 9.3.19 Pin/Bank Selection Mode选项卡

在Pin Selection目录我们选择第二个选项“Read XDC/UCF”直接导入管脚分配文件，如图 9.3.20所示。

图 9.3.20 管脚分配导入选项卡

如下图所示，在工程目录下，我们已经为大家准备好了一个ddr3_rw_test.xdc文件，用户只要直接导入这个.xdc文件就可以完成ddr3的管脚分配。ddr3_rw_test.xdc文件的路径为G:/tis_pro/axi4_ddr_rw。

导入后我们点击“Validate”，此时会跳出对话框，表明已经验证通过，我们点击“OK”，此时“Next”变成可选，点击“Next”完成管脚分配。如图 9.3.21所示：

图 9.3.21 分配验证管脚

后续操作就不一一说明了，MIG IP设置完成后，将sys_rst与sys_rst_n相连，clk_out2与sys_clk_i、clk_ref_i相连，ext_reset_in与sys_rst_n相连，如图 9.3.22所示：

图 9.3.22 手动连线

连线完成后，点击“Run Connection Automation”，弹出提示页面后，选中所有信号，点击“OK”，如图 9.3.23所示：

图 9.3.23 自动连线

我们再把自定义的IP添加进来，添加完成后如图 9.3.24所示：

图 9.3.24 添加DDR3_TEST IP核

在图 9.3.24中，M_AXI是AXI-Full类型的主机接口，我们将通过这个接口对DDR3进行读写操作。DDR3_TEST IP核在检测到m_axi_init_axi_txn端口的上升沿后会启动读写过程，并将读出的数据与写入的数据作比较，比较完成后m_axi_txn_done输出高电平。另外，在比较完成后，m_axi_error信号会指示整个过程是否出错。如果在读写过程中出错，或者在比较的过程中发现读出的数据与写入的数据不一致，那么m_axi_error将会拉高。

添加完自定义IP核之后，双击该IP核对其进行配置，如图 9.3.25所示：

图 9.3.25 配置DDR_TEST IP核

在图 9.3.25中，我们将变量C M AXI TARGET SLAVE BASE ADDR的值修改为0x88000_0000（DDR3的基地址为0x80000000），它位于DDR3存储器的地址空间，是DDR3_TEST IP核进行读写操作的起始地址。

点击“Run Connection Automation”，连接DDR3_TEST IP核。

接下来，我们还要添加Utility Vector Logic IP核。然后将其配置成非门，位宽为1，作为反向器使用。这是因为我们需要使用按键来作为DDR_TEST IP核的启动信号，达芬奇开发板上的按键在按下的时候为低电平，因此我们通过添加一个反向器，将其修改为按下时输出高电平。

最后，添加一个AXI_Quad_SPI核，用来存储要固化的程序（若不需要固化，该IP核可不添加）。搜索“spi”并添加该IP核后如图 9.3.26：

图 9.3.26 AXI_Quad_SPI核

双击AXI_Quad_SPI核进行配置，Mode选择“Quad”，Slave Device选择“Micron”，FIFO Depth选择“256”，勾选“Enable STARTUP Primitive”。如图 9.3.27所示：

图 9.3.27 配置AXI_Quad_SPI核

点击“Run Connection Automation”，选中所有连线，点击“OK”，自动连接AXI_Quad_SPI核。将ext_spi_clk 与s_axi_aclk连接，管脚spi_rtl_0改名为“qspi_flash”。

图 9.3.28 最终布局图

另手动添加上图中4个橙色的外部接口，其中“key_init”用于连接达芬奇开发板上的按键，“error_flag”和“compare_done”两个接口用于连接开发板上的LED。

到这里我们的Block Design就设计完成了，在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Validate Design”验证设计。验证完成后弹出对话框提示“Validation Successful”表明设计无误，点击“OK”确认。最后按快捷键“Ctrl + S”保存设计。

接下来在Source窗口中右键点击Block Design设计文件“system.bd”，然后依次执行“Generate Output Products”和“Create HDL Wrapper”。

添加约束文件：打开system_wrapper.xdc文件删除之前的约束文件，添加如下管脚约束：

create_clock -period 20.000 -name sys_clk [get_ports sys_clk]

set_property PACKAGE_PIN R4 [get_ports sys_clk]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_clk]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sys_rst_n]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports UART_rxd]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports UART_txd]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {qspi_flash_ss_io[0]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports qspi_flash_io0_io]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports qspi_flash_io1_io]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports qspi_flash_io2_io]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports qspi_flash_io3_io]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {key_init[0]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports compare_done]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports error_flag]

set_property PACKAGE_PIN T19 [get_ports {qspi_flash_ss_io[0]}]

set_property PACKAGE_PIN P22 [get_ports qspi_flash_io0_io]

set_property PACKAGE_PIN R22 [get_ports qspi_flash_io1_io]

set_property PACKAGE_PIN P21 [get_ports qspi_flash_io2_io]

set_property PACKAGE_PIN R21 [get_ports qspi_flash_io3_io]

set_property PACKAGE_PIN T1 [get_ports {key_init[0]}]

set_property PACKAGE_PIN U5 [get_ports UART_rxd]

set_property PACKAGE_PIN T6 [get_ports UART_txd]

set_property PACKAGE_PIN U2 [get_ports sys_rst_n]

set_property PACKAGE_PIN R2 [get_ports compare_done]

set_property PACKAGE_PIN R3 [get_ports error_flag]

set_property CFGBVS VCCO [current_design]

set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design]

set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS true [current_design]

set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]

set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]

set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_FALL_EDGE Yes [current_design]

管脚分配完成后按快捷键“Ctrl+S”保存管脚约束。

最后在左侧Flow Navigator导航栏中找到PROGRAM AND DEBUG，点击该选项中的“Generate Bitstream”，对设计进行综合、实现、并生成Bit（Bitstream）文件。

在生成Bitstream之后，在菜单栏中依次点击“File->Export->Export hardware”导出硬件，并在弹出的对话框中，勾选“Include bitstream”，在导出路径最后添加“/vitis”。如图 9.3.29所示：

图 9.3.29 设置硬件导出地址

然后在菜单栏依次点击“Tools->Launch Vitis”，启动vitis软件。

9.4软件设计

在Vitis软件中新建一个BSP工程和一个空的应用工程，应用工程名为“axi4_ddr_rw”。然后为应用工程新建一个源文件“main.c”，我们在新建的main.c文件中输入本次实验的代码。代码如下所示：

1 #include

2 #include “xil_cache.h”

3 #include “xil_printf.h”

4 #include “xil_io.h”

5

6 int main()

7 {

8 int i;

9 char c;

10

11 Xil_DCacheDisable();

12 print(“AXI4 DDR TEST!\n\r”);

13

14 while(1){

15 scanf(“%c”,&c);

16 if(c==’c’){

17 printf(“start\n\r”);

18 for(i=0;i<4096;i=i+4){

19 printf(“%d is %d\n”,i,(int)Xil_In32(0x88000000+i));

20 }

21 }

22 }

23

24 return 0;

25 }

可以看出，我们的软件程序特别简单。在代码的第14行至22行，通过一个while(1)死循环，连续判断用户输入的字符。当输入字符“c”时，程序通过一个for循环开始从地址0x8800_0000读取DDR3存储器中的数据，读取的存储空间大小为4KB。需要注意的是，变量i每次累加4，这是因为我们调用了函数Xil_In32( )来读取内存数据，每次读取32bit。而内存地址是以字节（1字节==8bit）为单位的，那么操作完成后地址应该累加4。

可以看出，我们在软件中读取的内存地址与硬件设计过程中DDR_TEST IP核所写入的地址是一致的。我们将软件读出的数据通过串口打印出来，与DDR_TEST IP核写入的数据进行对比，即可验证我们通过AXI4接口对DDR进行的读写操作是否成功。

另外，在代码的第11行，我们通过调用函数Xil_DCacheDisable( )来关闭数据缓存（Data Cache），以避免从缓存中读取数据。这是因为在对同一地址进行读操作时，读出的有可能是Data Cache中缓存的数据，而不是DDR中真正的数据。

程序设计完成后，按快捷键Ctrl+S保存main.c文件，接着编译工程。编译完成后控制台（Console）中会出现提示信息“Build Finished”，同时在应用工程的Binaries目录下可以看到生成的elf文件。

9.5下载验证和固化

下载验证

首先我们将下载器与达芬奇开发板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接，用于串口通信。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。

在Vitis软件中设置并连接串口。然后下载本次实验硬件设计过程中所生成的bit文件。最后下载软件程序，下载完成后，在右下方的Terminal中可以看到应用程序打印的信息“AXI4 DDR TEST!”。

图 9.5.1 程序下载完成

然后点击Terminal窗口空白处，Terminal窗口就会出现一个黑色的光标，此时键盘输入字符“c”。程序会打印从DDR3中读出的数据，如图 9.5.2所示：

图 9.5.2 第一次从DDR3中读出的数据

如图 9.5.2所示，串口打印出了DDR3存储空间中从地址0x8800_0000开始的1024个数据，每个数据占4个字节。从图中可以看出，开发板上电后，在没对该地址空间进行写操作之前，DDR3中的数据是随机的。

按下开发板上的按键KEY0然后释放，该动作会启动DDR3_TEST IP核对DDR3的读写操作。然后开发板上的LED0会点亮，表示读写操作完成。如图 9.5.3所示：

图 9.5.3 达芬奇开发板实物图

在图 9.5.3中，如果LED1也点亮了，这表明在对DDR3进行读写操作过程中出现了错误。但这个错误指示灯点亮的原因并不唯一，通过分析DDR3_TEST IP核的源码可以看出，在AXI4通信过程中写响应出错、读响应出错、以及读出与写入的数据不一致均会导致错误指示灯点亮。

因此，要判断我们自定义的IP核究竟有没有成功地向DDR3指定地址中写入数据，还是要通过查看该内存空间中的数据来判断。

在Terminal窗口中重新输入字符“c”并发送，程序会再次打印从DDR3中读出的数据，如下图所示：

图 9.5.4 第二次从DDR3中读出的数据

从图 9.5.4中可以看出，从DDR3中指定的4KB存储空间中读出的数据依次为1到1024，与DDR3_TEST IP核写入的数据一致，这时再按下KEY0然后释放，只有LED0亮。说明本次实验在达芬奇开发板上面下载验证成功。

程序固化

在《AXI GPIO控制LED实验》中，固化时，将硬件设计生成的bit流文件和软件应用程序合并成一个download.bit文件，然后再将download.bit文件写入QSPI Flash芯片中。Flash芯片内的数据在断电之后不会丢失的，再次上电后，QSPI Flash内的数据被写入BRAM中，程序就会再次执行。

BRAM为FPGA内部的资源，程序写入后无需引导即可运行，然而，有些程序是需要引导的，如本章实验DDR3读写程序，该程序占用空间资源较大，不宜在BRAM内运行，所以将该程序放在DDR RAM中运行。DDR RAM是FPGA的外部资源而非内部资源，所以程序想要在DDR RAM中运行程序就必须先进行引导，本章实验采用Bootloader引导程序对其进行引导。

Bootloader：简单地说，Bootloader就是在应用程序运行之前，运行的一段小程序。系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000开始执行，这个地址安排的通常就是系统的Bootloader程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备，建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为调用应用程序准备好正确的环境。

本章实验中，先将硬件配置文件system_wrapper.bit及Bootloader引导程序文件bootloader.elf合并为download.bit文件，然后将download.bit文件和用户的应用程序axi4_ddr_rw.elf文件固化到QSPI Flash中。板子断电再次上电后进行加载，FPGA自动从QSPI Flash中读取download.bit文件，将硬件配置和引导程序信息配置到片内BRAM中。加载后进行引导，FPGA内部逻辑启动，运行Bootloader引导程序读取QSPI Flash中的用户应用程序，并写到外部DDR3的相应位置。引导完成后，Bootloader程序切换指针到用户应用程序开始运行的指定位置，在外部的DDR3中开始执行用户的应用程序。

接下来我们就开始采用Bootloader的引导方式进行程序的固化。

设置板级支持包信息

按图 9.5.5指示依次点击，最后点击“Modify BSP Setting”。

图 9.5.5 设置板级支持包信息

选中“xilisf”，即Flash库（如果不选则无法固化QSPI Flash），如图 9.5.6所示：

图 9.5.6 选中xilisf

点击左上角的“xilisf”，在serial_flash_family将原先的值“1”改为“5”（板载Flash芯片MT41K128M16XX-15E属于镁光，对应值为5）。如图 9.5.7所示：

图 9.5.7 选择串行flash对应值

右键system_wraper，点击“Build Project”，编译工程。

建立BootLoader工程

新建工程，工程名设置为“bootloader”，点击“Next”。如图 9.5.8所示：

图 9.5.8 新建工程bootloader

选择当前的硬件平台，点击“Next”。如图 9.5.9所示：

图 9.5.9 选择硬件平台

继续点击“Next”，选择模板“SERC SPI Bootloader”，点击“Finish”。如图 9.5.10所示：

图 9.5.10 选择SERC SPI Bootloader

点击修改blconfig.h文件，将MicroBlaze软件文件在Flash中的加载点修改为“0x00800000”：Flash前面的8MB空间用来存储Bitstream文件，从地址0x00800000开始保存软件，如图 9.5.11所示。（这里设置加载点的值可以根据比特流文件的大小进行调整）。

图 9.5.11 修改软件存储位置

右键bootloader_system，点击“Build Project”，编译工程，生成引导程序bootloader.elf文件。

生成download.bit文件

点击菜单栏“Xilinx”，选择“Program FPGA”，将硬件设计生成的bit文件和bootloader.elf文件合成为一个download.bit文件，用于烧录到QSPI Flash芯片中。如图 9.5.12所示：

图 9.5.12 Program FPGA

点击“microblaze_0”，选择编译生成的bootloader.elf文件，路径G:\vitis_pro\axi4_ddr_rw\vitis\bootloader\Debug。点击“Program”，生成download.bit文件。

图 9.5.13 加载bootloader.elf

download.bit文件路径为G:\vitis_pro\axi4_ddr_rw\vitis\bootloader\_ide\bitstream\download.bit。

生成download.bit文件后，点击菜单栏Xilinx，选择“Program Flash”。如图 9.5.14所示：

图 9.5.14 Program Flash

在Project Type栏，选中Application。在Image File栏，点击“Browse…”，选择上一步生成的download.bit文件，选择器件“mt25ql128-spi_x1_x2_x4”，勾选“Verify after flash”，点击“Program”。如图 9.5.15所示：

图 9.5.15 烧录download.bit文件

烧录download.bit成功，现象如图 9.5.16所示：

图 9.5.16 烧录download.bit成功

烧写应用程序

再次点击菜单栏“Xilinx”，选择“Program Flash”。

将用户的应用程序文件axi4_ddr_rw.elf烧写到地址“0x00800000”，elf路径G:\vitis_pro\axi4_ddr_rw\vitis\axi4_ddr_rw\Debug。选择器件“mt25ql128-spi_x1_x2_x4”，勾选“Convert ELF to bootloadable SREC format and program”和“Verify after flash”，点击“Program”。如图 9.5.17所示：

图 9.5.17 烧录axi4_ddr_rw.elf

烧录应用程序成功，现象如图 9.5.18所示：

图 9.5.18 烧录应用程序成功

关掉电源，拔出JTAG连接线，重新上电，板子自动运行。

重新连接Terminal，等待引导完毕，引导过程耗费的时间与用户程序的大小成正比（优化技巧详见文章末尾）。程序引导完毕，如下图所示：

图 9.5.19 用户程序引导完成

按下按键，LED0亮；输入字符“c”，Terminal中会打印值1到1024；说明本实验的程序固化成功，如下图所示：

图 9.5.20 LED0亮

优化技巧：如果用户程序比较大，图 9.5.19中的引导时间会相应变长，我们可以使用“//”号屏蔽VERBOSE宏定义，省去不必要的打印信息，进而缩短引导时间。如下图所示：

图 9.5.21 屏蔽宏