1、前言

PCIE（PCI Express）采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起 PCI 以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到 PCI 所不能提供的高带宽，是目前各行业高速接口的优先选择方向，具有很高的实用价值和学习价值；

本设计提供一种基于XDMA 中断模式的 PCIE3.0上位机与FPGA数据交互架构；该机构的主要作用如下：图中的箭头代表数据流向，数字代表数据流向的步骤；
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QT上位机将电脑端的数据通过PCIE总线发送给FPGA开发板，FPGA侧的XDMA将PCIE发来的数据缓存至DDR4，缓存完成后，XDMA产生中断信号，该信号通过AXI-GPIO发送给FDMA，通知FDMA去DDR4中读取数据，FDMA得到中断通知后，读取DDR4中的数据给FPGA逻辑做数据处理，数据处理完成后再通过FDMA将处理完成的数据写回到DDR4中缓存，XDMA再从DDR4中读取处理好的数据送入PCIE总线发送给电脑端，电脑端QT软件再接收处理好的数据；

本设计使用Xilinx官方的XDMA方案搭建基于Xilinx系列FPGA的PCIE通信平台，电脑端QT实时截取主机屏幕图片，QT软件会将图片发送给PCIE总线，XDMA驱动将PCIE总线上的数据发送出去；FPGA开发板的 XDMA IP 核将接收到的图片数据缓存至 DDR4，并以中断方式通知用户将DDR4中缓存的图片数据读出， FDMA控制器收到 XDMA 发来的中断信号后将图片从 DDR4 中读出，然后做数据处理，出于简单考虑，这里的数据处理我们仅做数据回环，当然你可以做更加负责的处理，比如图像缩放、图像增强，图像识别等，处理完成后，FDMA再将数据写入DDR4中缓存，XDMA读取处理完毕后的数据再通过PCIE发送给电脑上位机，QT最后将处理完成后的图像显示出来；

本设计的关键在于我们编写了一个 xdma_inter.v 的XDMA中断模块。该模块用来配合驱动处理中断，xdma_inter.v 提供了AXI-LITE 接口，上位机通过访问 user 空间地址读写 xdma_inter.v 的寄存器。该模块在 user_irq_req_i 输入的中断位，寄存中断位号，并且输出给 XDMA IP ，当上位机的驱动响应中断的时候，在中断里面写 xdma_inter.v 的寄存器，清除已经处理的中断。

该方案只适用于Xilinx系列FPGA，一并提供了XDMA的安装驱动和QT上位机源代码，省去了使用XDMA繁琐的驱动寻找和上位机软件开发的不知所措，并以搭建好vivado工程，省去了不知道如何使用XDMA的尴尬，使得PCIE的使用变得简单易上手，而不用关心其复杂的PCIE协议；由于我的开发板只支持PCIE X8，所以提供的代码是PCIE X8架构，若需要PCIE X1、 X2、 X8、 X16、 X32的朋友，可自行修改本工程，也可关注我，我会实时发布新的工程。
本工程实现进阶应用的PCIE通信，和QT上位机之间进行图片传输试验。
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本文详细描述了基于XDMA搭建PCIE通信平台的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的高速接口领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

2、我已有的PCIE方案

我的主页有PCIE通信专栏，该专栏基于XDMA的轮询模式实现与QT上位机的数据交互，既有基于RIFFA实现的PCIE方案，也有基于XDMA实现的PCIE方案；既有简单的数据交互、测速，也有应用级别的图像采集传输，以下是专栏地址：
点击直接前往
此外，我的主页有中断模式的PCIE通信专栏，该专栏基于XDMA的中断模式实现与QT上位机的数据交互，以下是专栏地址：点击直接前往

3、PCIE理论

这部分可自行百度或csdn或知乎学习理论知识，其实用了XDMA，已经不太需要直到PCIE复杂的协议和理论了。。。

4、总体设计思路和方案

总体设计思路和方案如下：图中的箭头代表数据流向，数字代表数据流向的步骤；
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图像产生、发送、缓存

QT上位机实时截取电脑桌面的屏幕图片，我的电脑分辨率为1920X1080，QT软件会将图片发送给PCIE总线，XDMA驱动将PCIE总线上的数据发送出去；FPGA开发板的 XDMA IP 核将接收到的图片数据缓存至 DDR4，并以中断方式通知用户将DDR4中缓存的图片数据读出；这里的中断采用AXI-GPIO传递；

数据处理

出于简单考虑，这里的数据处理我们仅做数据回环，当然你可以做更加负责的处理，比如图像缩放、图像增强，图像识别等；代码如下：
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XDMA简介

Xilinx 提供的 DMASubsystem for PCIExpressIP 是一个高性能，可配置的适用于 PCIE2.0，PCIE3.0 的 SG 模式 DMA，提供用户可选择的 AXI4 接口或者 AXI4-Stream 接口。一般情况下配置成 AXI4 接口可以加入到系统总线互联，适用于大数据量异步传输，通常情况都会使用到 DDR，AXI4-Stream 接口适用于低延迟数据流传输。
XDMA 是 SGDMA，并非 Block DMA，SG 模式下，主机会把要传输的数据组成链表的形式，然后将链表首地址通过 BAR 传送给 XDMA，XDMA 会根据链表结构首地址依次完成链表所指定的传输任务，XDMA框图如下：
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AXI4、AXI4-Stream，必须选择一个，用于数据传输AXI4-Lite Master 可选，用于实现 PCIE BAR 地址到 AXI4-lite 寄存器地址的映射，可以用于读写用户逻辑寄存器。
AXI4-Lite Slave 可选，用来将 XDMA 内部寄存器开放给用户逻辑，用户逻辑可以通过此接口访问 XDMA 内部寄存器，不会映射到 BAR。
AXI4 Bypass 接口，可选，用来实现 PCIE 直通用户逻辑访问，可用于低延迟数据传输。

XDMA中断模式

图像读取、输出、显示

FDMA控制器收到 XDMA 发来的中断信号后将图片从 DDR3 中读出，然后将图像信息放入 VGA 时序的数据总线上形成 VGA 时序的视频流，在将视频流送入 HDMI 发送模块将 RGB 数据转换为 HDMI 差分数据通过 HDMI 线缆输出到显示器；VGA时序分辨率为1920X1080@60Hz；关于FDMA的详细设计说明，请参考我之前的文章：点击直接前往

QT上位机及其源码

QT上位机本方案使用 VS2015 + Qt 5.12.10 完成上位机开发软件环境搭建，QT程序调用XDMA官方API采用中断模式实现与FPGA的数据交互，本例程实现的是读写测速，提供QT上位机软件及其源码，路径如下：
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QT源码部分截图如下：

5、vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx–xcku060-ffva1156-2-i；
开发环境：Vivado2022.2；
输入：测试图片，QT上位机发送，分辨率为1920X1080；
输出：HDMI，分辨率为1920X1080@60Hz；
应用：QT上位机发送图像，FPGA接收显示试验；
工程BD如下：
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XDMA需要设计中断数量，配置如下：

同时，XDMA中断模块的中断数量也设置为4，如下：

综合后的代码架构如下：

综合编译完成后的FPGA资源消耗和功耗预估如下：