基于AGX ORIN与FPGA K7实现PCIE高速数据通信/Orin与FPGA高速数据传输/XDMA在linux系统使用教程

因最近想学习AGX orin和FPGA实现数据高速通信，借此机会和大家一起学习AGX orin和FPGA

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完整工程文件下载：AGX orin与FPGA实现PCIE完整工程   提取码：985w

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        在现代高速数据传输领域，PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）已经成为了一种广泛应用的技术标准。它不仅提供了高带宽和低延迟的数据传输能力，还在多种应用场景中表现出色。本文将深入探讨如何利用NVIDIA的AGX ORIN平台与Xilinx的FPGA K7，通过PCIe接口实现高速数据通信。

AGX ORIN与FPGA A7的概述

        AGX ORIN是NVIDIA最新一代的AI计算平台，具有强大的计算能力和广泛的应用前景，特别是在自动驾驶、机器人和高性能计算等领域。而Xilinx FPGA A7则是FPGA领域的一个重要产品，因其灵活的硬件配置和高效的数据处理能力，广泛应用于信号处理和嵌入式系统中。

本文将详细介绍如何使用他们，并提供具体的技术实现方案，包括：

• 硬件设计与配置：如何配置AGX ORIN和FPGA A7的硬件接口，使其能够通过PCIe进行高速数据通信。
• 驱动程序开发：开发并优化PCIe驱动程序，以支持高效的数据传输。
• 数据传输协议：设计高效的数据传输协议，确保数据传输的高效性和可靠。

一、硬件介绍

FPGA：

        本次设计采用的是xilinx家的K7 325T（全称xc7k325tffg900-2L），采用我们自己设计的开发板进行开发，如果芯片一样的读者，也可以直接使用你自己的开发板来设计。下面是325T官方的PCIE资源介绍：

XC7K325TFFG900 的 PCIe 资源

1. 内置 PCIe 硬核 (PCIe Hard IP)

   • PCIe Gen2 支持: XC7K325TFFG900 支持 PCIe Gen2 标准，提供高达 5 GT/s 的数据传输速率。
   • 支持的通道数: 支持 x1、x2、x4 和 x8 通道配置，根据应用需求灵活选择不同的带宽。

2. 灵活的配置选项

   • 可编程端点和根端口: 支持将 FPGA 配置为 PCIe 端点 (Endpoint) 或根端口 (Root Port)，适用于不同的应用场景。
   • 多功能支持: 允许实现多功能设备，使单个 PCIe 端点能够支持多个独立功能。

3. 高性能 SerDes

   • 高达 16 个高速串行解串行器 (SerDes) 通道: 每个通道支持高达 6.6 Gb/s 的数据传输速率，确保了 PCIe 通道的高性能传输能力。
   • 集成时钟和数据恢复 (CDR) 电路: 提供稳定的高速数据传输，减少信号抖动和误码率

AGX ORIN：

        本次设计的Orin为 JETSON AGX Orin 64G，同理32G的版本也是一样的，下面是总结的AGX Orin的PCIE资源介绍：

AGX Orin 的 PCIe 资源

1. PCIe 版本和速率

   • PCIe Gen4 支持: AGX Orin 支持 PCIe 4.0 标准，提供高达 16 GT/s 的数据传输速率，比 PCIe 3.0 的带宽翻倍，适合高带宽需求的应用。

2. PCIe 通道数

   • 多达 16 条 PCIe 通道: 允许配置为多种通道组合（如 x16、x8、x4、x2 和 x1），以满足不同设备和应用的带宽需求。

3. 灵活的接口配置

   • 多功能支持: 支持多种 PCIe 配置和设备树设计，灵活配置端点和根端口角色，适用于多种系统架构和应用需求。
   • 多主机支持: 能够配置多个独立的 PCIe 控制器，使其可以同时连接多个 PCIe 设备，提升系统扩展性。

4. 高性能和低延迟

   • 高吞吐量和低延迟: PCIe 4.0 提供了高吞吐量和低延迟的特点，能够满足实时应用和数据密集型计算的需求。
   • 内存访问: 支持直接内存访问 (DMA) 和远程直接内存访问 (RDMA)，提高数据传输效率和系统性能。

二、FPGA设计

设计工具

        设计开发vivado版本：vivado2019.2

        设计语言：verilog、block design

设计需求：

        完成 FPGA 与 AGX Orin 的数据交互，并通过 PCIe 接口实现高速数据传输，同时测量和评估通信速度及其性能表现。

本设计主要是采用vivado中的block design设计，然后其中还添加了自己设计的一些代码：AXI接口读写模块和模拟数据产生模块。整体设计如下所示：

PCIE采用的是xilinx官方的XDMA IP：

        主要配置为：PCIE 2.0  x8工作模式  （此芯片的最高配）

三、AGX Orin平台配置

开机：

        首先拿到设备之后，根据官方的提示和步骤完成开机步骤，默认安装的ubuntu系统，开机之后就和正常的linux虚机没什么区别了

参考文献：AGX Orin官方开机测试指南

安装xdma驱动（linux版）

驱动下载

可以从官方下载驱动，也可以从我这里下载我使用的版本

官方驱动下载：GitHub - Xilinx/dma_ip_drivers: Xilinx QDMA IP Drivers

本设计使用的驱动：xdma_linux驱动下载

驱动安装

1、检查pci驱动

打开 Linux 终端，输入“lspci”命令并执行， 如下图所示：

可以看到，没有 Xilinx 相关的信息，这是因为没有安装 XDMA 的 Linux 系统驱动。
2、驱动安装

下载好的驱动，存放到AGX orin上面

由于提供的都是源码，需要编译安装然后才能使用。打开终端，输入如下命令：

cd ./dma_ip_drivers/XDMA/linux-kernel/xdma/
sudo apt install build-essential #（如果之前没有安装过 build-essential，需要安装）
sudo make install

驱动安装完成后，重启 Linux 系统主机。

3、加载驱动

现在打开终端，输入如下命令进入 xdma 驱动目录下的 tests 目录：

cd ./dma_ip_drivers/XDMA/linux-kernel/tests

该目录提供了驱动加载脚本及应用测试脚本，其中的 load_driver.sh 即为 XDMA 的驱动加载脚

本。执行该脚本前需要先给该脚本赋予可执行权限，然后以 root 身份执行，命令如下：

chmod +x load_driver.sh
sudo ./load_driver.sh

可以看到 XDMA 驱动已正确加载。

4、检测XDMA设备

在终端中输入“lspci”命令

在终端中输入“ls /dev”命令并执行，可以在/dev 目录下看到以 xdma0 开头的设备文件，如下图所示：

以下是每个设备文件的简要说明：

1. /dev/xdma0_control：用于控制和配置DMA设备。
2. /dev/xdma0_user：用于用户自定义用途。
3. /dev/xdma0_xvc：用于虚拟JTAG功能。
4. /dev/xdma0_events_*：用于处理DMA事件（中断）。
5. /dev/xdma0_c2h_*：用于从卡到主机（Card to Host，简称C2H）的DMA数据传输。
6. /dev/xdma0_h2c_*：用于从主机到卡（Host to Card，简称H2C）的DMA数据传输。

这表明 AGX orin系统已正确安装 XDMA 驱动并检测到了 XDMA 设备。

四、下板测试

把第三章的vivado工程生成的bit文件，烧录到FPGA开发板的FLASH，然后重启AGX orin

1、应用测试

打开终端，输入如下命令进入 xdma 目录下的tests 目录：

cd ./dma_ip_drivers/XDMA/linux-kernel/
cd tests/

需要给他们添加可执行权限：

输入如下命令以执行 run_test.sh 脚本：

chmod +x run_test.sh
chmod +x dma_memory_mapped_test.sh
sudo ./run_test.sh

run_test.sh 脚本用于测试基本的 XDMA 传输，并具有如下功能：
✓ 检测设计是基于 AXI-MM 接口还是 AXI_ST 接口，并查看启用了多少个通道；
✓ 对所有启用的通道进行基本传输测试；
✓ 检查数据完整性；
✓ 报告通过或失败

测试结果的最后两行 passed 表明我们搭建的基于 XDMA 的 PCIe 通信子系统正确，且 XDMA 驱动安装和驱动示例程序运行正常。

2、PCIE的读和写

Linux 的 XDMA 测试应用是源码提供的，需要先编译。打开终端，输入如下命令进入 xdma 目录下的tools 目录并编译：

cd ./dma_ip_drivers/XDMA/linux-kernel/
cd tools/
make

编译后， tools 目录下有四个 XDMA 相关的测试应用，如下图所示：（第一次进来没有data_rd.bin文件）

dma_to_device

• 这是一个可执行文件，用于将数据从主机内存写入到 FPGA 设备。

dma_from_device

• 这是一个可执行文件，用于从 FPGA 设备读取数据到主机内存。

performance

• 这是一个可执行文件，可能用于测试和评估 DMA 性能

reg_rw

• 这是一个可执行文件，可能用于读取和写入 FPGA 寄存器

测试写入

打开终端，进入tools目录，然后输入以下指令（首先准备好一个测试数据datafile4K.bin）：

sudo ./dma_to_device -d /dev/xdma0_h2c_0 -a 0x00000000 -s 2048 -f datafile4K.bin

这个命令将 data_to_write.bin 文件中的数据写入到 /dev/xdma0_h2c_0 设备的地址 0x00000000，长度为 2048 字节。

表示写入完成！！！

测试读取

打开终端，进入tools目录，然后输入以下指令

sudo ./dma_from_device -d /dev/xdma0_c2h_0 -a 0x00000000 -s 2048 -f data_rd.bin

这个命令从 /dev/xdma0_c2h_0 设备开始的地址 0x00000000 读取 2048 字节的数据，并保存到 data_rd.bin 文件中。

表示读取完成！！！

验证读写

通过xxd命令来打开.bin文件：

首先打开写入的数据文件datafile4K.bin，输入以下指令

xxd datafile4K.bin

然后再读取从PCIE读取出来的数据data_rd.bin，输入以下指令

xxd data_rd.bin

可以看见写入数据和读出的数据一样

3、读取FPGA写入的数据

由第二章设计的FPGA工程可以得到，我们通过FPGA端向PCIE不停地写数据，我们先通过vivado的ila来查看写入的数据：

然后我们通过读取指令，来读取这个地址的数据，并通过xxd查看

sudo ./dma_from_device -d /dev/xdma0_c2h_0 -a 0x00A00000 -s 2048 -f data_rd.binxxd data_rd.bin

因大小端的问题，这个数据应该和ila的按字节取反即可

可见和ila抓的完全相同。说明FPGA写入，PCIE读取没问题！！！

五、测试板卡速度

        perform_hwcount.sh 脚本用于测试 XDMA 的硬件性能（读写速率），并将测试结果复制到hw_log_h2c.txt和 hw_log_c2h.txt 文本文件。 hw_log_h2c.txt 为写测试结果， hw_log_c2h.txt 为读测试结果。

打开终端，进入tests目录，然后输入以下指令

chmod +x perform_hwcount.sh
sudo ./perform_hwcount.sh 1 1

参数 1 1 是指要测试的读写通道数。

然后输入以下命令查看写速度：

grep -i 'data rate' hw_log_h2c.txt

可以看到，对与写速率， 开始时传输长度越大，相应的传输速率 rate 也越大，当传输长度达到一定值时，对传输速率的影响就不大了。

由此可以验证本次设计整体没问题！！，终于大功告成啦！！！

完整工程文件下载：AGX orin与FPGA实现PCIE完整工程   提取码：985w

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