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Xilinx SRIO IP 核详解与 FPGA 实现仿真流程

Xilinx SRIO IP 核在 FPGA 中的应用,涵盖四种用户接口通道(ireq, iresp, treq, tresp)的区别与配置模式(Initiator/Target 与 Condensed I/O)。文章阐述了 tuser 信号在 AXI4-Stream 接口中的作用,提供了时钟频率的计算公式及典型值配置,并解析了 SRIO 协议中的事务类型(如 NWRITE, DOORBELL 等)及 HELLO 模式下的时序。最后给出了 IP 核例程的仿真验证流程及工程实践架构,旨在帮助开发者掌握 SRIO 通信逻辑的开发基础。

机器人发布于 2026/3/22更新于 2026/9/9100 浏览
Xilinx SRIO IP 核详解与 FPGA 实现仿真流程

概述

SRIO 常用于 FPGA 与 DSP、FPGA 与 FPGA、板间的通信。

接口类型与配置

通道组成

Xilinx SRIO IP 核的 ireq、iresp、treq、tresp 四个通道是逻辑层用户接口的关键组成部分,它们构成了完整的请求 - 响应通信模型。可以通过下表快速了解它们的主要区别:

文章配图

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通道模式选择

这四个通道是否全部必须使用,完全取决于在配置 SRIO IP 核时选择的 I/O 端口类型:

  1. Initiator/Target 模式:这是分离通道模式。如果选择了此模式,那么四个通道都是必要的,因为它明确将请求与响应、发起方与目标方的通路分开设计,以实现更灵活的控制。
  2. Condensed I/O 模式:这是精简通道模式。如果选择了此模式,则只需要一个 AXI4-Stream 通道来发送所有类型的包,一个通道来接收所有类型的包。这种模式接口更简单,占用的逻辑资源更少,但控制和性能灵活性不如 Initiator/Target 模式。

因此,通道的必要性并非固定,而是由系统架构设计需求决定的。

设计建议

在实际操作中,可以参考以下几点:

  • 确认需求:如果设计角色固定(例如 FPGA 始终作为目标设备接收指令),或者对逻辑资源非常敏感,可以考虑使用 Condensed I/O 模式以简化设计。
  • 使用推荐模式:对于需要双向通信、角色灵活(设备可同时做发起方和目标方)或对吞吐量、控制粒度有要求的系统,Initiator/Target 模式是更通用和推荐的选择。此时,需要完整实现这四个通道的驱动逻辑。
  • 查阅官方手册:具体配置选项和端口信号定义,应以 Xilinx 官方文档 PG007《Serial RapidIO Gen2 Endpoint v5.6 LogiCORE IP Product Guide》 为准。

总而言之,这四根线是 SRIO IP 核与用户逻辑进行数据和控制流交互的桥梁,理解其方向和作用是进行 FPGA 侧 SRIO 通信逻辑开发的基础。

通信场景示例

FPGA 发送给 DSP 一组波形数据,DSP 对这组波形数据进行滤波处理,处理完之后将这组数据返回给 FPGA,这个过程需要用到哪些通道?

这个 'FPGA 发送 → DSP 处理 → DSP 返回' 的完整波形处理流水线,SRIO 的全部四个通道(ireq, iresp, treq, tresp)都会被用到。这个过程清晰地展示了 FPGA 在通信中需要扮演'发起方'和'目标方'两种角色。

  1. iresp 通道的作用:在第一阶段,当 FPGA 作为发起方完成写操作(ireq)后,作为目标的 DSP 会返回一个事务完成响应包。这个响应包会通过 FPGA 的 iresp 通道送达,告知 FPGA'数据已成功送达 DSP'。虽然这个响应包不携带实际数据,但对于确保可靠传输和进行错误排查至关重要。
  • tresp 通道的作用:在第二阶段,当 FPGA 作为目标方通过 treq 通道收到 DSP 发来的数据写包后,必须通过 tresp 通道向 DSP(此时的发起方)返回一个确认响应包,以完成此次写事务。没有这个响应,DSP 会认为传输失败。
  • tuser 信号说明

    在 Xilinx SRIO IP 核的 AXI4-Stream 接口中,tuser 信号是一个关键的用户侧信号,用于在传输主数据(tdata)的同时,传递与数据包相关的额外控制信息或元数据。简单来说,tdata 传输的是'有效载荷',而 tuser 传输的是关于这个有效载荷的'说明信息'。tuser 信号的具体含义和位宽会根据它所在的通道(ireq, iresp, treq, tresp)而不同。通常,它用于携带 SRIO 数据包的包头(Packet Header)中的关键字段,以便用户逻辑能正确解析和处理数据包。

    文章配图

    时钟配置

    时钟计算方式如下:

    gt_clk = line_rate / 20;
    gt_pcs_clk = line_rate / 40;
    phy_clk = (gt_clk * link_width) / 4; // "4"跟几x无关
    log_clk = phy_clk;
    cfg_clk = phy_clk; // 7 系列芯片
    

    典型值如下:

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    上述时钟框架中:phy_clk 是主内核时钟,gt_pcs_clk 用于 GT 与 PHY 通信的时钟信号 (usrclk2),gt_clk 是 GT 内 PCS 与 PMA 并行数据的时钟信号(usrclk)。log_clk 为 SRIO 逻辑层的数据、配置等时钟。cfg_clk(7 系列芯片)为 SRIO 配置接口时钟,与 log_clk 时钟相同。gt_pcs_clk 的时钟频率=gt_clk/2 (usrclk2 是 usrclk 频率的一半),phy_clk=(gt_clk * lane 数目)/4。为了防止 BUFFER 溢出,log_clk 应不低于 phy_clk,且 log_clk 与 phy_clk 同步。

    IP 核执行以下配置:

    文章配图

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    按照以上 IP 配置计算结果如下:

    • sys_clk: 156.25MHz;
    • log_clk_out: 312.5MHz;(用户时钟)(line_ratelink_width/648/10)(8B10B 编码)
    • gt_pcs_clk_out: 156.25MHz;
    • gt_clk_out: 312.5MHz;(未使用)
    • refclk_out: 156.25MHz;
    • phy_clk_out: 312.5MHz;

    下图 4 个接口时钟均为 log_clk_out。

    文章配图

    时钟架构设计如下:

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    协议细节

    事务类型

    事务类型主要有:由 Ftype 和 Ttype 字段决定,FPGA 中常用的 NWRITE、NWRITE_R、DOORBELL、NREAD、RESPONSE(有无数据)。

    文章配图

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    其中:

    • NREAD:基本读取请求事务。请求没有数据有效负载。结果是数据响应。
    • NWRITE:基本写入操作。请求具有数据有效负载。不会导致响应。
    • NWRITE_R:基本写入操作。请求具有数据有效负载。结果为无数据的响应。
    • SWRITE:流式写入操作(使用的标头字段比 NWRITE 少)。请求具有数据有效负载。不会导致响应。
    • DOORBELL:处理元件之间的消息非常短。请求没有数据有效负载。结果为无数据的响应。
    • RESPONSE without data:没有数据负载的响应事务。
    • RESPONSE with data:有数据负载的响应事务。

    AXI4-Stream 接口

    为了简化数据包构造,用户界面端口可以配置为使用报头编码逻辑层优化(Header Encoded Logical Layer Optimized,HELLO)格式。这种格式允许跨数据包类型的报头字段放置标准化。它还将报头(header,HDR)和数据分割成接口上的单独传输。这导致更简单的控制逻辑,并允许数据与传输边界对齐,以便于数据管理。基于数据包 FTYPE 的 HELLO 格式报头的更详细视图如下图所示:

    文章配图

    图中每个 bit 描述如下:

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    时序模式

    基本的 HELLO 模式与基本的流模式分别如下:

    文章配图

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    在上图流模式中,数据包完全按照 RapidIO 规范中的定义呈现,包括所有逻辑/传输层字段(加上规范定义为物理层字段的优先级)。所有类型的 SRIO 数据包格式见下图。数据字节在以这种格式呈现给 LOG 之前必须反转,以符合 AXI4 流协议。链路接口(BUF 和 PHY 之间)和传输接口(LOG 和 BUF 之间)上的数据包使用 SRIO 流格式。

    文章配图

    对于该数据包每一位代表什么参见下图:

    文章配图

    仿真验证

    Open IP Example design..结构如下:

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    里面包含的文件有很多,有用的只有如下 4 个

    文章配图

    该例程基本数据流如下:

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    上图中,蓝色虚线表示 FPGA 作为发起方向远端设备(如:DSP)发送数据,并接收远端设备的响应信息,绿色虚线表示 FPGA 作为目标方接收远端设备(如:DSP)的数据,并将响应信息发送给远端设备。

    该案例仿真结果如下:

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    工程实践

    某项目 SRIO 流程架构如下:

    文章配图

    参考

    Serial RapidIO Gen2 Endpoint v4.1 Product Guide (PG007)

    目录

    1. 概述
    2. 接口类型与配置
    3. 通道组成
    4. 通道模式选择
    5. 设计建议
    6. 通信场景示例
    7. tuser 信号说明
    8. 时钟配置
    9. 协议细节
    10. 事务类型
    11. AXI4-Stream 接口
    12. 时序模式
    13. 仿真验证
    14. 工程实践
    15. 参考

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