XDMA 技术及在 Windows 平台的应用实践

一、什么是 XDMA

XDMA(Xilinx Direct Memory Access)是 Xilinx FPGA 提供的一种高性能数据传输机制,它基于 PCI Express 总线,实现 FPGA 与主机内存之间的高速数据交换。与传统 DMA 相比,XDMA 支持以下优势:

  • 高带宽传输:利用 PCIe Gen3/Gen4 总线,实现几 GB/s 的数据吞吐。

  • 低延迟:支持分散-聚集(SGDMA)模式,高效管理连续或非连续内存。

  • 灵活接口:支持用户逻辑访问(User)、控制寄存器访问(Control)等多种节点。

  • 跨平台支持:提供 Linux、Windows 驱动与用户态 API。

XDMA 常用于高速采集、图像处理、AI 推理加速等需要频繁、大量数据交换的场景。


二、XDMA 在 Windows 平台的架构

在 Windows 下,XDMA 通常由三个主要部分组成:

  1. FPGA 端硬件 IP

    • 包含 XDMA IP 核

    • 提供控制寄存器、SGDMA 通道、用户逻辑接口

  2. Windows 驱动

    • 提供标准的 PCIe DeviceInterface

    • 支持 controluserh2c(Host-to-FPGA)、c2h(FPGA-to-Host)访问

  3. 用户态应用

    • 通过 SetupAPI 获取设备列表

    • 打开设备 Handle (CreateFile)

    • 调用 ReadFile / WriteFile 或内存映射实现 DMA 读写


三、XDMA 节点与寄存器解析

XDMA 将设备分为若干逻辑节点,每个节点具有不同的功能:

每个节点支持**偏移(Offset)长度(Length)**操作,配合 DMA 机制实现高速传输。


四、Windows 下获取 XDMA 设备列表

通过 Windows SetupAPI 可以枚举所有 PCIe XDMA 设备,并获取其接口路径:

核心步骤:

  1. 调用 SetupDiGetClassDevs 获取设备信息集

  2. 使用 SetupDiEnumDeviceInterfaces 枚举每个设备接口

  3. 调用 SetupDiGetDeviceInterfaceDetail 获取设备路径

  4. 将路径用于 CreateFile 打开设备


五、用户态数据读写实践

1. 打开设备

2. 读取数据

3. 写入数据

六、常见问题与注意事项

  • Stream does not support seeking

    • 出现该问题通常是直接使用 MemoryStreamFileStream 读写时未正确定位偏移

    • 在 XDMA 用户态实现中,需要使用 SetFilePointerSeek 定位

  • 设备路径乱码

    • 使用 Marshal.PtrToStringAutoUnicode 编码进行路径转换
  • 异步与性能

    • 对大数据块(如 DDR 采集 10KB+)建议使用异步读取

    • 避免阻塞 UI 线程,使用 Task.Run 或后台线程

  • 节点选择

    • 根据 FPGA 逻辑决定使用 controluser 或 DMA 通道

七、实践经验

  • 构建用户态测试工具时,可结合 WPF 实现:

    • 下拉选择设备

    • 下拉选择节点

    • 输入偏移与长度

    • 支持十六进制 / 十进制切换显示

    • 实时显示原始数据日志

  • 对于初学者,建议先从 控制寄存器 (control) 读写开始,再扩展到 DMA 通道(h2c_x / c2h_x)。


八、总结

XDMA 为 FPGA 与主机间提供了高性能、灵活的数据通道。

在 Windows 平台,通过 SetupAPI 获取设备接口,并结合 ReadFile / WriteFile,即可实现用户态高速读写。

关键要点:

  1. 明确节点与偏移

  2. 处理 Windows 下的设备路径和句柄

  3. 界面显示与日志反馈要考虑十进制 / 十六进制切换

  4. 数据量大时注意异步与 UI 流畅性

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