ZYNQ架构下的AXI_Lite 总线详解（1）

ZYNQ架构的介绍

一颗芯片里面，同时塞进去一套完整 ARM 计算机（PS）+ 一块 FPGA（PL），芯片内部通过硬件线路把两者紧紧连在一起，合二为一，名字叫 All‑Programmable SoC，全可编程片上系统。

PS Processing System 处理系统（ARM 侧，硬核固化）

PS 内部包含 4 大块硬件资源：

1. APU 处理器单元：例如，双核 Cortex‑A9 ARM CPU，我们写的 C 语言裸机代码、Linux 系统，就在这里执行。
2. 内存控制器（DDR 控制器）：DDR3或者DDR4，程序、数据都放在 DDR。
3. 一堆硬件外设（硬核）：UART 串口、网口、SD 卡、I2C、SPI、CAN、USB、GPIO (MIO)、XADC，全部硬件做好，不需要 FPGA 逻辑。
4. PS 内部互联总线（AXI）：CPU、DDR、各个外设，内部互相通信。

PL（Programmable Logic，可编程逻辑）------FPGA 部分

就像一块空白的电路板，你写 Verilog 代码，编译生成 bit 文件，烧写进去，就能搭出自定义硬件电路。

PL 里面有什么硬件资源：

1. CLB（LUT、触发器）：做普通逻辑电路；
2. BRAM（Block RAM 块 RAM）：片上 RAM 存储器
3. DSP 切片：做高速乘法、数字运算；
4. IO 引脚：芯片外部引脚，可以接 LED、摄像头等外部器件。

Vivado 的 Block Design（BD 框图），添加的 AXI‑GPIO、AXI‑BRAM‑Controller 这些 IP，全部是部署在 PL 里面的硬件电路。

PS与PL之间的通信

AXI 高速总线通道

芯片硬件已经做好，PS 与 PL 之间的高速数据线全部是 AXI 协议，分为三类端口：

关键点：

• PS 访问 PL 的 IP（AXI‑GPIO、AXI‑BRAM‑Controller）：走GP 端口；
• PL 要直接读写 DDR 内存（DMA、摄像头 VDMA）：走HP 端口。

所有挂在 AXI 总线上的 PL 端 IP（AXI‑BRAM 控制器、AXI‑DMA），本质上是 PL 里的硬件，通过芯片这几根 AXI 物理导线和 PS 对话。 BRAM 本身只是 PL 内部的存储，BRAM 不直接连 PS，必须经过 AXI‑BRAM 控制器再接 AXI 总线。

普通离散信号线（不走 AXI，只是电平 / 脉冲信号）

1、EMIO 扩展 IO PS 内部 GPIO 控制器，可以拉出最多 64 根普通的 0/1 电平信号线，连接到 PL。PS 软件可以读写这些电平；PL 逻辑也可以驱动这些电平。

2、PL→PS 中断信号 PL 内部逻辑产生脉冲信号，直接送给 PS 的 GIC 中断控制器。

PL端的几种与PS端连接的IP说明

AXI Interconnect（AXI 互联 IP，总线交换机）

类比：路由器 / 多路开关矩阵

作用：AXI 总线的路由、仲裁、地址译码

• 一边接 1 个或者多个 AXI Master（主机，比如 PS 的 AXI GP 口）
• 另一边接多个 AXI Slave（从机：AXI-GPIO、AXI-BRAM-CTRL 等）
• 当多个主机同时发总线请求时，它做仲裁，防止总线冲突；同时给每个从设备分配一段独立地址空间。

AXI GPIO

类比：可被 AXI 总线控制的扩展 IO 口

• 接口：AXI4-Lite（寄存器型低速总线）
• 作用：PS 通过读写 AXI 寄存器，控制 PL 上引出的 GPIO 引脚：输出高低电平（点灯）、读取按键输入、支持引脚中断AMD
• 区分：
  • PS 端 MIO/EMIO GPIO：是 PS 硬核自带；
  • AXI GPIO：PL 里搭出来的软 IP GPIO，引脚数量可以灵活扩展，走 AXI 总线访问。

AXI DMA / AXI VDMA

DMA = Direct Memory Access，直接内存访问

核心思想：搬运数据不用 CPU（A9）反复介入，减轻 ARM 负担，高速搬大块数据

• AXI DMA：通用 DMA 负责 DDR 内存 ↔ AXI4-Stream 数据流之间传输；适合 AD 采样、高速串口、普通数据流，一维连续数据搬运。
• AXI VDMA（Video DMA）：视频专用 DMA 是 DMA 的增强版，专门针对图像 / 视频；支持帧缓存、多帧乒乓缓存、行 / 列二维图像地址、帧同步信号，摄像头采集、HDMI 显示必用它AMD
• 共同点：
  • 控制寄存器用 AXI-Lite（PS 配置参数、查状态）
  • 数据通路是 AXI4-Stream 高速流接口

AXI BRAM Controller（AXI BRAM 控制器）

类比：BRAM 的 "翻译官"

• BRAM 是 FPGA 片内块 RAM（Block Memory Generator IP 生成），BRAM 本身是简单的读写地址 / 数据端口，不认 AXI 协议
• 这个 IP 的功能：把 AXI 总线协议，翻译成 BRAM 原生读写信号
• PS 可以通过 AXI 总线，像访问外设寄存器一样读写 PL 内部 BRAM，用来放查找表、缓存小批量数据。

几个问题

1、ZYNQ架构分为几代产品？

2、ARM核是什么意思？

ARM 是一家英国公司的名字，同时也代表它设计的 CPU 内核架构。ARM 公司自己不生产芯片，只画 CPU 内核图纸，把图纸授权卖给芯片厂商（Xilinx、高通、苹果、STM 意法半导体）。

Xilinx 拿到 ARM 图纸，把 ARM CPU 内核做到 ZYNQ 芯片里面；

ARM 公司：卖 CPU 内核设计图纸的公司。

ARM 内核：CPU 的设计方案，比如 Cortex‑A9、Cortex‑A53、Cortex‑R5，这些全都是 ARM 公司设计出来不同型号的 CPU 内核。

Cortex‑A9 就是 ARM 公司设计的其中一款 CPU 内核型号。

• A 系列：面向高性能应用（跑 Linux、裸机系统，ZYNQ‑7000 用的就是 Cortex‑A9）
• R 系列：实时内核（ZU MPSoC 里面 R5，做高实时控制）
• M 系列：单片机内核（STM32 用 Cortex‑M3/M4，小单片机）

3、什么是Linux系统？

Linux 是一款开源的操作系统，它的核心叫 Linux 内核，由大量 C 语言代码构成，专门用来管理 CPU、内存、外设，给上层程序提供一套统一使用硬件的接口。

Cortex‑A9 这类 ARM CPU 硬件本身只认识 ARM 指令，它天生不自带 Linux，也不强制跑 Linux。你可以选择不装 Linux，直接跑裸机程序；也可以配置、编译一份适配这块板子的 Linux 镜像，让 CPU 运行它。

没有操作系统（裸机）：CPU 上只有你写的那一份 C 代码。所有硬件操作，DDR 初始化、串口收发、网口、PL 侧 AXI 寄存器读写，全部要你自己代码实现。硬件资源没有统一管理，一次只能跑一套主程序。 装上 Linux 之后，Linux 内核就变成硬件和应用程序中间的管家：

• 管理 CPU：做多任务调度，同一个 CPU 上可以轮流运行好几个独立应用程序；Zynq 双核 A9，内核也负责两个核的调度管理。
• 管理内存（依赖 A9 的 MMU）：引入虚拟内存。应用程序看到的地址是虚拟地址，不再直接和硬件物理地址绑定；程序之间内存隔离，一个程序崩溃不容易把整个系统搞挂。
• 统一管理所有外设，提供驱动框架：串口、网口、SD 卡、Flash、甚至你 PL 侧做的 AXI 外设，都写成驱动。应用程序不用直接啃寄存器，调用系统接口就能使用硬件。
• 自带文件系统：可以在 SD 卡 /eMMC 里组织文件、读写文件，保存日志、配置、数据。
• 提供标准接口：网络协议栈、线程、信号、管道等，写网络程序、多线程程序不用从零实现。

在 ZYNQ 上，一份能跑起来的 Linux，由三大部分组成：

• Linux 内核 (zImage)：就是管家本身，负责调度、内存管理、驱动框架。内核是可以裁剪的：没用的外设驱动可以删掉，需要的外设（你的 PL 自定义 AXI 寄存器）可以加驱动。
• 设备树（dtb，设备树二进制文件）：告诉内核 "板子上有什么硬件"，PS 的配置、PL 上 AXI 外设的基地址、中断号都写在这里。对比裸机：裸机是读 hdf 文件得到硬件地址；Linux 用设备树描述硬件。
• 根文件系统 (rootfs)：存放 Linux 的应用程序、命令、库、配置文件。我们自己写的 APP 最后就放在这里面运行。

AXI与ZYNQ架构的关系

ZYNQ 本质是 PS（ARM CPU 系统）+ PL（FPGA 逻辑），两个独立的部分。AXI 就是 PS 和 PL 之间约定好的 "标准通信语言"：

1. Xilinx 在 ZYNQ 芯片内部，直接引出 GP/HP/ACP 这几组 AXI 硬件端口，打通 PS 和 PL；
2. 我们在 PL 里面写的 IP（AXI-GPIO、AXI-DMA、AXI-BRAM、自定义寄存器），都做成 AXI 从接口；
3. 在 Vivado Block Design 里，把 PL 的 AXI 从 IP，和 PS 的 GP/HP 端口用 AXI Interconnect（AXI 路由器）连起来；
4. PS 端（裸机或者 Linux）通过地址映射，就可以访问 PL 上的资源。

如果没有 AXI 这套统一协议，PS 和 PL 通信就要自己定义一大堆自定义握手信号，每个项目一套规则，IP 无法通用。AXI 就是标准化这个交互。

举例以下三个通路：

PS A9 CPU → PS 内部总线 → GP Master 端口（AXI4-Lite 主机） → AXI Interconnect 路由器 → PL 里的自定义 AXI-Lite 寄存器 IP（从机）

高速采集通路

PL 的 ADC 采集逻辑 → AXI-DMA（AXI4 主机） → HP 端口 → PS 的 DDR 内存控制器 → DDR

流通路（不带寄存器）

PL 的 ADC → AXI-Stream FIFO → AXI-Stream DMA → HP 口写入 DDR（Stream 只负责数据流，DMA 内部再转成带地址的 AXI4 去写内存）。

GP/HP/ACP 是端口（硬件通道） ，它们承载的协议可以是 AXI4 或者 AXI4-Lite；AXI-Stream 是流协议 ，它不能直接接到 GP/HP/ACP，AXI-Stream 要配合 DMA IP，由 DMA 做协议转换：把 Stream 流，转换成 Full AXI4 内存访问，再送到 HP/GP。

AXI4 / AXI4-Lite 怎么连 GP/HP/ACP？PL 里能不能直接看到引脚？

在 Vivado 的 Block Design（BD 块设计）里，不是像普通 IO 那样看到物理引脚，是 PS IP 的内部接口信号。

1. 你在 BD 里放一个 ZYNQ7 Processing System 这个 PS IP，双击配置，打开 HP、GP、ACP 端口；配置完，这个 PS IP 就会放出 AXI 主机 / 从机接口（信号端口，不是芯片物理引脚）
   • GP：通用 AXI 端口，PS 作为主机去读 PL 的寄存器（AXI-Lite 最多，用来配寄存器）
   • HP：高性能 AXI 端口，PL 作为主机，去读写 PS 侧的 DDR 内存（Full AXI4，高速大数据）
   • ACP：一致性端口，PL 访问 PS 的 Cache，一般少用
2. 连接方式：直接在 BD 里用连线，把 PS 放出的这个 AXI 接口，连到 AXI Interconnect，再连到你的 PL 从 IP（AXI-GPIO、AXI-BRAM Ctrl、自定义 AXI-Lite 从机）
3. 重点：
   • 这些是片内互联信号（FPGA fabric 内部的逻辑信号），不是芯片外部引脚，所以你在约束、管脚分配里看不到它们，它们只在 PL 逻辑和 PS 硬核之间。
   • 底层是芯片硅片上已经做好的硬核互联通路，Vivado 只是把这个通路的协议接口给你引到 BD 画布上。

为什么 AXI4 / AXI4-Lite 可以直接接，AXI-Stream 不行？

核心根源：协议设计目标完全不一样

• AXI4（Full AXI4）、AXI4-Lite：带地址的内存映射协议 每一次传输，都要先给地址 ，告诉对方：我要读写哪个地址位置。 GP/HP/ACP 这三组硬件通道，本身硬件就是为「带地址的内存访问」设计的，天生就是 AXI 地址总线，协议对上，就可以直接连通。
  • AXI4-Lite：轻量，简单读写寄存器，适合控制
  • Full AXI4：支持 Burst 突发传输，适合大块搬数据（HP 口最常用）
• AXI-Stream：流协议，没有地址！ AXI-Stream 只有：数据、有效、准备（TDATA、TVALID、TREADY），全程没有地址信号。 而 HP/GP/ACP 的硬件通道，从底层电路上就要求每次传输必须附带地址，用来访问 DDR 或者寄存器地址空间。
• 没有地址，PS 这边根本不知道这个数据要放到 DDR 内存的哪个位置，所以 AXI-Stream 不能直接怼到 HP/GP 上。

那 AXI-Stream 怎么和 PS 的 DDR 通信？

AXI DMA 这个 IP，就是协议转换器，它两边接口不一样：

• 一侧：AXI-Stream 接口（接你的 PL 流逻辑，比如 AD 采集、图像滤波、FFT 输出流，是无地址数据流）
• 另一侧：Full AXI4 主机接口（接到 HP 端口，这是带地址的，可以访问 PS 的 DDR）

工作流程：

1. PL 端源源不断吐出 AXI-Stream 数据流（没有地址）给 DMA
2. DMA 内部，由软件（Linux / 裸机）提前配置好：DDR 的起始地址、传输长度
3. DMA 自动把一串 Stream 数据流，打包成 AXI4 Burst 写操作，按照你配置的地址，写入 DDR 指定位置
4. 反过来，DMA 也可以从 DDR（HP 口读）读出数据，转成 AXI-Stream 流给 PL 逻辑