目录前言核心特性为什么需要 CDMA1. CDMA1.1 原理对比自己运 vs 快递代劳1.2 IP 配置与使用流程关键配置选项解析1. DMA 工作模式2. 4K 边界检查Allow Unaligned Transfers 相关3. 非对齐传输选项4. 传输数据宽度与突发长度5. 数据预取缓冲FIFO 缓存操作步骤1.3 寄存器使用2.1 CDMACR 寄存器0x00使用注意事项错误中断说明Bit 142.2 CDMASR 寄存器0x04使用注意事项2.3 CURDESC_PNTR 寄存器0x08关键操作条件使用注意事项2.4 TAILDESC_PNTR 寄存器0x10关键操作条件核心机制使用注意事项2.5 SA 寄存器源地址 - 0x18h核心说明使用注意事项2.6 DA 寄存器目的地址 - 0x20h使用注意事项2.7 BTT 寄存器传输长度 - 0x28h传输触发机制错误场景使用注意事项3. 总结Simple DMA 传输完整流程3.1 核心思路3.2 配置步骤3.3 小结前言AXI CDMA 是基于 AXI4 协议的 DMA 控制器 IP主要用于实现内存到内存或内存到外设的大规模数据搬运全程无需 CPU 参与从而显著提升系统效率。核心特性定位明确AXI CDMA 是专门做【Memory-Mapped → Memory-Mapped】地址到地址拷贝的 DMA没有 AXI-Stream 接口。适用场景适合 DDR↔DDR、DDR↔BRAM、DDR↔PL 寄存器模块这类地址映射型数据搬移。为什么需要 CDMA在传统系统中CPU 需要通过软件指令逐字节复制数据如内存间大文件拷贝消耗大量计算资源。CDMA IP 通过硬件级 DMA 代替 CPU 完成数据搬运释放 CPU 算力用于核心任务处理将 CPU 从冗余的数据搬运中解放出来如摄像头采集数据存入 DDR使其专注算法或其他任务处理。1. CDMA1.1 原理我们可以用快递寄东西来直观理解 AXI CDMA 的工作原理整个过程分为四步快递流程AXI CDMA 对应操作下单打电话给快递公司CPU 告诉 AXI CDMA 要传输数据填单告诉快递员取货地址山东、收货地址北京、箱子数量设置源地址、目标地址、传输长度自动搬运快递车直接到山东装货全程走高速送到北京DMA 从内存读数据通过 AXI 总线传输完全不用 CPU 动手签收提醒快递小哥打电话告诉你“送到了”DMA 发中断通知 CPU 传输完成AXI CDMA 这个 IP 就像专业快递你只管下单脏活累活它全包速度快还省力对比自己运 vs 快递代劳方式特点自己运CPU 搬运费力、耗时、耽误其他事CPU 被占用快递代劳AXI CDMA你喝茶等结果就行CPU 解放出来处理其他任务1.2 IP 配置与使用流程关键配置选项解析在 Vivado 中配置 AXI CDMA IP 时除了工作模式外还有几个关键选项需要理解清楚。下面逐一解析1. DMA 工作模式AXI CDMA 支持两种工作模式Simple DMA简单模式仅支持寄存器直控方式每次传输都需要 CPU 通过寄存器配置源地址、目标地址和传输长度。Scatter GatherSG 模式支持链表描述符自动传输CPU 只需维护描述符链表CDMA 会自动按链表依次执行多次传输大幅减少 CPU 干预。2. 4K 边界检查Allow Unaligned Transfers 相关AXI 协议要求突发传输Burst不能跨越 4KB 地址边界如0x1000 → 0x1FFF。若传输范围跨越边界CDMA 会自动拆分成多个突发操作。如果禁用 4K 边界检查则允许单次突发传输直接跨越 4KB 边界无需拆分适用于大块连续数据的一次性传输。注意禁用 4K 边界检查可提升 DMA 效率但要求系统内存物理连续且无访问保护。根据 PG034 手册描述禁用 4K 边界检查时带宽利用率可达≥95%而启用 4K 边界检查时带宽利用率约为≤85%。3. 非对齐传输选项非对齐传输是指源地址或目的地址未按数据总线宽度对齐的内存访问操作。AXI 协议要求突发传输的起始地址必须按数据宽度对齐例如若 AXI 总线数据宽度为 128 bit则地址需满足Addr % 16 0如0x1000、0x1010等。若起始地址为0x1005则属于非对齐访问。4. 传输数据宽度与突发长度Write/Read data width、Write/Read Burst Size 这两个参数直接决定 AXI 传输的效率传输数据宽度AXI 总线单次传输的数据位宽如 32/64/128 bit。突发长度Burst Length一次突发传输中包含的数据传输次数。两者共同决定了单次突发传输的数据总量合理配置可显著提升传输效率。5. 数据预取缓冲FIFO 缓存该选项决定数据是否在传输前先在 FIFO 内缓存即在传输开始前完整读取源数据到内部缓冲区再写入目标地址。优点避免读写并行时源数据被意外修改如 CPU 更新缓冲区导致的数据损坏。代价会增加数据传输的延时。Simple DMA 模式是 CDMA 最基础的工作方式在此模式下CDMA 执行完一个编程的 DMA 命令后即停止需要外部 AXI4 主机为每个所需的 DMA 操作重新设置 CDMA 寄存器。操作步骤在简易操作模式下配置并启动一次 CDMA 数据传输的标准化流程如下确认空闲检查CDMASR.IDLE寄存器状态为 1验证当前 DMA 处于空闲状态。配置中断将中断控制寄存器CDMACR.IOC_IrqEn位第 12 位置为逻辑有效电平启用传输完成中断机制可选配置CDMACR.ERR_IrqEn位以激活错误异常中断功能。设置源地址将正确的传输源地址写入源地址寄存器SA须确保其地址空间指向有效的数据缓冲区且数据已就绪若地址总线位宽超过 32 位需同步配置SA_MSB高位扩展寄存器。设置目标地址设定目标地址寄存器DA若地址位宽超限则需补充DA_MSB高位寄存器的写入操作。设置传输长度定义传输字节数并写入突发传输长度寄存器BTT单次最大传输容量为 8,388,6078M字节DataMover Lite 模块场景除外完成写入后会触发传输启动指令。等待传输完成通过轮询机制监测CDMASR.IDLE位直至返回空闲状态值为 1或在启用中断场景下等待 CDMA 模块输出完成中断信号需满足CDMACR.IOC_IrqEn1。解析中断类型若采用中断响应模式需解析中断状态寄存器以判定中断类型传输正常结束或异常事件触发。清除中断标志通过向CDMASR.IOC_Irq状态标志位写入逻辑 1 执行中断清除操作。准备下一次传输完成当前传输周期后若需执行新传输任务请返回步骤 1 重新初始化流程。1.3 寄存器使用有了上节的操作步骤我们还需要了解 CDMA 的寄存器空间。CDMA 一共包含多个寄存器其中在数据传输过程中最常用的是以下 5 个偏移地址寄存器名称作用0x00CDMACR控制寄存器控制 DMA 的启动、复位及中断使能等0x04CDMASR状态寄存器反映 DMA 当前状态空闲、忙、错误等0x18SA源地址寄存器设置数据搬运的源地址0x20DA目标地址寄存器设置数据搬运的目标地址0x28BTT传输长度寄存器设置本次传输的字节数其中0x00、0x04对应上节操作步骤中反复提到的CDMACR与CDMASR而0x18、0x20、0x28则分别对应源地址、目标地址与传输长度正好覆盖一次完整 DMA 传输所需的全部关键配置。存2.1 CDMACR 寄存器0x00CDMACR 是 CDMA 的控制寄存器负责配置中断使能、工作模式、软复位等关键功能。其各 bit 位含义如下Bit 位字段名称默认值访问类型适用模式描述31-24IRQDelay00h读写SG中断延迟超时传输结束后启动计时器超时后触发中断新传输或超时事件会重置计时器。设为 0 禁用延迟中断不启用 SG 模式时此设置无效。23-16IRQThreshold01h读写SG中断阈值每完成一次传输IOC 事件计数器从阈值递减至 0 时触发中断。最小值 0x01写 0x00 无效不启用 SG 模式时此设置无效。15保留0只读-保留位始终读为 0。14Err_IrqEn0读写所有模式错误中断使能控制是否允许CDMASR.Err_Irq标志触发中断。1 使能0 禁用。13Dly_IrqEn0读写SG延迟中断使能控制是否允许CDMASR.Dly_Irq延迟超时中断触发中断。仅 SG 模式有效1 使能0 禁用。12IOC_IrqEn0读写所有模式传输完成中断使能控制是否允许CDMASR.IOC_Irq传输完成中断触发中断。1 使能0 禁用。11-6保留0只读-保留位始终读为 0。5KeyHoleWrite0读写所有模式固定地址写模式使能设为 1 启用 AXI 固定地址写突发Key Hole 模式。传输中不可更改启用时需设置突发长度Max Burst Length为 16从设备需支持此功能。4KeyHoleRead0读写所有模式固定地址读模式使能设为 1 启用 AXI 固定地址读突发Key Hole 模式。传输中不可更改启用时需设置突发长度Max Burst Length为 16从设备需支持此功能。3SGMode0读写所有模式分散聚集SG模式使能设为 1 启用 SG 模式需 IP 核支持 SG 引擎。需在 CDMA 空闲CDMASR.IDLE1时修改写入新描述符指针后需先置 0 再置 1 以生效。2Reset0读写所有模式软复位控制设为 1 启动 CDMA 软复位完成进行中的传输后复位。1 复位中0 正常运行。复位后所有寄存器恢复默认值。1TailPntrEn1只读SG尾指针模式状态指示 SG 引擎尾指针功能是否启用。SG 模式固定为 1纯简单 DMA 模式时为 0。0保留0只读-保留位始终读为 0。使用注意事项SG 模式专用位IRQDelay、IRQThreshold、Dly_IrqEn仅在启用 SG 引擎时生效。复位要求修改SGMode或清除错误状态需满足CDMASR.IDLE1。Key Hole 模式启用时需确保从设备支持固定地址突发且突发长度设为 16。SG 指针更新修改描述符指针后需切换SGMode0→1以生效。中断使能错误中断Err_IrqEn和完成中断IOC_IrqEn适用于所有模式。SG 中断触发需同时满足阈值IRQThreshold和使能条件。错误中断说明Bit 14任何检测到的错误都会导致 AXI CDMA 正常停止。根据 AXI4 协议所有已通过接受的地址通道传输提交的 AXI 传输都必须完成相关的数据传输。因此AXI CDMA 在设置CDMASR之前完成所有已提交的 AXI4 传输。当CDMASR.IDLE位设置为 1AXI CDMA 引擎真正停止。指向与错误传输相关联的描述符的指针被更新到CURDESC_PNTR寄存器。在检测到多个错误的罕见情况下只记录其中一个错误的CURDESC_PNTR寄存器。要恢复操作必须通过硬件重置或向CDMACR写入 1 来向 AXI CDMA 发出重置位。常见错误类型如下错误类型说明DMAIntErrCDMA 内部错误检测到 AXI 数据移动器中的内部错误。当 BTT0 写入主 AXI DataMover 命令输入时或使用 BTT 字段0 的 CONTROL 字获取并执行传输描述符时可能发生。DMASlvErrCDMA 从属设备错误当传输数据的从属设备以 SLVERR 响应时发生。DMADecErrCDMA 解码错误当地址请求指向不存在的地址时发生。SGIntErr分散聚集内部错误当 BTT0 时发生仅当获取的描述符已设置完整位时才会出现表明描述符尚未被 CPU 处理被视为过时。SGSlvErr分散聚集从属设备错误当获取和更新描述符的从属设备以 SLVERR 响应时发生。SGDecErr分散聚集解码错误当地址请求指向不存在的地址时发生。2.2 CDMASR 寄存器0x04CDMASR 是 CDMA 的状态寄存器用于反映 DMA 当前的工作状态、中断标志及错误信息。其各 bit 位含义如下Bit 位字段名称默认值访问类型适用模式描述31-24IRQDelaySts00h只读SG中断延迟时间状态反映 SG 引擎当前的中断延迟计时器值。仅当启用 SG 模式时有效。23-16IRQThresholdSts01h只读SG中断阈值状态反映 SG 引擎当前的中断阈值计数值。仅当启用 SG 模式时有效。15保留0只读-保留位始终读为 0。14Err_Irq0读/写清零Simple 和 SG错误中断标志置 1 表示因错误条件触发中断事件。若CDMACR.Err_IrqEn1则触发中断输出。写 1 清零。0 无错误中断1 错误中断激活。13Dly_Irq0读/写清零SG延迟中断标志置 1 表示延迟计时器超时触发中断。若CDMACR.Dly_IrqEn1则触发中断输出。写 1 清零。SG 模式专用当CDMACR.SGMode0时自动清零。12IOC_Irq0读/写清零Simple 和 SG传输完成中断标志置 1 表示 DMA 传输完成触发中断。若CDMACR.IOC_IrqEn1则触发中断输出。SG 模式下需同时满足中断阈值条件。写 1 清零。0 无完成中断1 完成中断激活。11保留0只读-保留位始终读为 0。10SGDecErr0只读SGSG 解码错误SG 引擎读取/写入传输描述符时发生 AXI 解码错误访问无效地址。触发后 CDMA 优雅停止IDLE1更新CURDESC_PNTR。0 无错误1 检测到错误需软/硬复位清除。9SGSlvErr0只读SGSG 从机错误SG 引擎读取/写入传输描述符时收到 AXI 从机错误响应。触发后 CDMA 优雅停止IDLE1更新CURDESC_PNTR。0 无错误1 检测到错误需软/硬复位清除。8SGIntErr0只读SGSG 内部错误SG 引擎发生内部错误。触发后 CDMA 优雅停止IDLE1更新CURDESC_PNTR。0 无错误1 检测到错误需软/硬复位清除。7保留0只读-保留位始终读为 0。6DMADecErr0只读Simple 和 SGDMA 解码错误DataMover 访问无效地址时发生 AXI 解码错误。触发后 CDMA 优雅停止IDLE1更新CURDESC_PNTR。0 无错误1 检测到错误需软/硬复位清除。5DMASlvErr0只读Simple 和 SGDMA 从机错误DataMover 传输时收到 AXI 从机错误响应。触发后 CDMA 优雅停止IDLE1更新CURDESC_PNTR。0 无错误1 检测到错误需软/硬复位清除。4DMAIntErr0只读Simple 和 SGDMA 内部错误DataMover 遇到内部错误如写入 BTT0。触发后 CDMA 优雅停止IDLE1更新CURDESC_PNTR。0 无错误1 检测到错误需软/硬复位清除。3SGIncld配置决定只读Simple 和 SGSG 引擎使能状态指示 IP 核是否包含 SG 引擎。0 未包含 SG仅支持简单 DMA1 包含 SG支持 SG 和简单 DMA。由 IP 核配置决定软件可读取此位判断功能。2保留0只读-保留位始终读为 0。1Idle0只读Simple 和 SGCDMA 空闲状态简单模式下 1 传输完成等待新任务写 BTT 启动传输SG 模式下 1 所有描述符处理完成写TAILDESC_PNTR重启 SG 引擎。关键状态位。0 运行中1 空闲传输完成或未开始。0保留0只读-保留位始终读为 0。使用注意事项中断标志清除Err_Irq、Dly_Irq、IOC_Irq均为写 1 清零读取后需主动写 1 清除避免重复触发中断。错误状态位SGDecErr、SGSlvErr、SGIntErr、DMADecErr、DMASlvErr、DMAIntErr均为只读检测到错误后需通过软/硬复位清除。Idle 位是判断 DMA 是否空闲的关键状态位操作步骤中反复提到的CDMASR.IDLE即此位。SGIncld 位软件可通过读取此位判断当前 IP 核是否支持 SG 模式从而选择 Simple DMA 或 SG 模式编程流程。2.3 CURDESC_PNTR 寄存器0x08CURDESC_PNTR 是 CDMA 的当前描述符指针寄存器用于指示 SG 引擎当前正在处理的描述符地址。其各 bit 位含义如下Bit 位字段名称默认值访问类型适用模式描述31-6当前描述符指针0读/写RO*SG当前描述符指针指示当前正在处理的描述符的指针。在写入TAILDESC_PNTR寄存器之前此寄存器必须包含指向有效描述符的指针否则会导致 CDMA 执行未定义的操作。当 CDMA SG 引擎运行CDMASR.IDLE0时SG 引擎更新CURDESC_PNTR寄存器以反映当前正在执行的描述符的起始地址。检测到错误时CURDESC_PNTR寄存器将更新为反映与检测到的错误关联的描述符。只有当 AXI CDMA 处于空闲状态CDMASR.IDLE1时才能通过软件对寄存器进行写入。写入的描述符地址必须与 64 字节边界对齐16 个 32 位字示例为0x00、0x40、0x80任何其他对齐方式都会产生未定义的结果。当CDMACR.SGMode0时该寄存器被清除。5-0保留0只读-保留位始终读为 0写入无效。关键操作条件仅当CDMASR.IDLE1时可软件写入空闲状态下才能更新描述符指针。CDMACR.SGMode0时自动清零退出 SG 模式后该寄存器被清除。使用注意事项64 字节对齐描述符地址必须为 64 字节对齐即低 6 位 0例如0x00、0x40、0x80否则不能进行传输。仅 SG 模式有效仅当启用 SG 模式CDMACR.SGMode1时有效简单 DMA 模式下此寄存器被忽略。错误自动更新发生错误如SGDecErr时硬件自动更新为触发错误的描述符地址错误类型在上节已有阐述。复位清零软复位CDMACR.Reset1或 SGMode 禁用时本寄存器清零。2.4 TAILDESC_PNTR 寄存器0x10TAILDESC_PNTR 是 CDMA 的尾描述符指针寄存器在 SG 模式中扮演关键角色它指定描述符链的暂停点并支持通过写入新指针来重启或扩展任务流。其各 bit 位含义如下Bit 位字段名称默认值访问类型适用模式描述31-6TailDescPtr0读/写RO*SG尾描述符指针指定描述符链的暂停点SG 引擎处理到与该指针匹配的描述符后暂停获取新描述符。当CDMACR.SGMode1时写入新指针会触发 SG 引擎重启处理从CURDESC_PNTR开始获取描述符。地址必须 64 字节对齐0x00、0x40、0x80。5-0保留0只读-保留位始终读为 0写入无效。关键操作条件仅 SG 模式有效该寄存器仅在启用 SG 模式时生效。地址未对齐将导致未定义行为写入的指针必须满足 64 字节对齐要求。SG 引擎运行时为只读状态引擎运行期间软件不可写入。核心机制暂停控制SG 引擎处理到与尾指针匹配的描述符时自动暂停避免继续处理后续描述符链。任务重启当软件写入新指针时需满足 SG 模式使能且引擎空闲会触发 SG 引擎从CURDESC_PNTR指定的地址重新开始获取描述符恢复被暂停的任务流适用于动态扩展描述符链表场景。动态链表管理通过更新尾指针实现运行时动态扩展 SG 描述符链表追加新描述符后更新尾指针即可激活新任务。使用注意事项64 字节对齐地址必须 64 字节对齐低 6 位 0否则行为未定义。重置行为软复位CDMACR.Reset1或 SGMode 禁用时寄存器清零2.5 SA 寄存器源地址 - 0x18hSA 是 CDMA 的源地址寄存器用于指定 DMA 读取数据的起始物理地址。其各 bit 位含义如下Bit 位字段名称默认值访问类型适用模式描述31-0Source Address0x0读/写简单 DMA存放 DMA 读取数据的起始物理地址。必须在写入 BTT 寄存器前配置有效地址。核心说明适用模式仅在Simple简单模式下生效Scatter-GatherSG模式下该寄存器不使用源地址由 BD 描述符提供。配套寄存器0x1C为SA_MSB当地址空间超过 32 bit 时才需要配置高 32 位地址。写入前提必须在CDMASR.Idle1CDMA 空闲时写入否则写入无效。启动传输配置好 SA、DA 后往 BTT0x28写入传输字节数会直接启动 Simple 模式 DMA 传输。使用注意事项配置时序必须在写入 BTT 寄存器之前配置有效地址否则传输可能使用无效的源地址。对齐要求无强制对齐要求但建议按数据宽度对齐以优化传输性能。地址偏移处理实际传输过程中地址偏移根据 BTT 和 KeyHole 模式自动处理。复位清零软/硬复位后本寄存器清零重置值 0x0。2.6 DA 寄存器目的地址 - 0x20hDA 是 CDMA 的目标地址寄存器用于指定 DMA 写入数据的目标内存地址。其各 bit 位含义如下Bit 位字段名称默认值访问类型适用模式描述31-0Destination Address0x0读/写简单 DMA数据传输的目标内存地址。必须在写入 BTT 寄存器前配置有效地址。使用注意事项配置时序必须在写入 BTT 寄存器之前配置有效地址否则传输可能使用无效的目标地址。对齐要求无强制对齐要求但建议按数据宽度对齐以优化传输性能。KeyHole 写模式若启用 KeyHole 写模式固定地址突发地址需符合 AXI 协议要求。复位清零软/硬复位后本寄存器清零重置值 0x0。2.7 BTT 寄存器传输长度 - 0x28hBTT 是 CDMA 的突发传输长度寄存器用于指定本次 DMA 传输的字节数同时也是 Simple DMA 模式下启动传输的触发开关。其各 bit 位含义如下Bit 位字段名称默认值访问类型适用模式描述31-23保留0只读所有模式保留位始终读为 0写入无效。22-0Bytes_To_Transfer0读/写简单 DMA待传输字节数写入非零值后CDMA 立即启动传输需先配置 SA/DA传输过程中可读递减传输完成时自动清零。最大值8,388,607 字节2²³-1。传输触发机制Simple DMA 模式写入 BTT 寄存器是启动传输的唯一方式需满足CDMASR.IDLE1。SG 模式关联SG 模式下BTT 由描述符控制此寄存器无效忽略写入。错误场景写入 BTT0简单模式触发CDMASR.DMAIntErr内部错误引擎停止。SG 模式描述符中 BTT0 触发相同错误。使用注意事项对齐要求无强制对齐要求但实际传输效率受 SA/DA 地址对齐影响建议按数据宽度对齐。重置行为软复位CDMACR.Reset1或硬复位后清零。读取行为传输过程中读取 BTT会返回剩余未传输完成的字节数传输完成时自动清零同时CDMASR.IOC_Irq置位若使能则触发中断。3. 总结Simple DMA 传输完整流程到这里我们已经把 AXI CDMA 的寄存器空间逐一梳理完毕。最后我们把Simple DMA寄存器直接模式的完整配置流程串起来方便大家在实际开发中对照使用。3.1 核心思路Simple DMA 传输的本质就是通过4 类寄存器完成一次数据搬运寄存器偏移作用CDMACR控制寄存器0x00配置工作模式与中断使能SA源地址寄存器0x18指定数据读取的起始地址DA目标地址寄存器0x20指定数据写入的目标地址BTT传输长度寄存器0x28指定传输字节数写入即启动传输注意Simple DMA 模式下CDMA 必须处于Simple 模式非 Scatter Gather 模式即CDMACR寄存器的SGMode位Bit 3 0。3.2 配置步骤第一步配置控制寄存器CDMACR0x00CDMACR 是 Simple 传输的核心控制寄存器需设置以下位SGModeBit 3 0进入 Simple DMA 模式。IOC_IrqEnBit 12 1允许传输完成中断传输完成时产生中断方便 CPU 响应。Err_IrqEnBit 14 1允许错误中断传输过程中发生错误时产生中断。KeyHoleRead/KeyHoleWriteBit 4/5 1可选若使用固定地址 burst 传输Key Hole 模式需开启这两个位并确保MAX BURST LENGTH 16。第二步配置源地址SA偏移0x18将源内存地址写入 SA 寄存器32 位该地址是 Simple 传输的读取起点。第三步配置目标地址DA偏移0x20将目标内存地址写入 DA 寄存器32 位该地址是 Simple 传输的写入起点。第四步配置传输字节数BTT偏移0x28将需传输的总字节数写入 BTT 寄存器32 位该值决定了从源地址到目标地址的数据量。例如传输 1KB 数据写入0x400。第五步启动传输等待中断响应写入 BTT 后CDMA 立即启动传输。传输完成后若已使能IOC_IrqEn则产生传输完成中断CPU 在中断服务程序中响应即可。3.3 小结Simple DMA 模式是 AXI CDMA 最基础、最常用的工作方式只需4 个寄存器 5 步配置即可完成一次高效的数据搬运。相比 CPU 逐字节拷贝CDMA 将 CPU 从冗余的数据搬运中彻底解放出来让 CPU 专注于算法或其他核心任务处理。