xilinx XDMA：從基礎到應用程序

Dec21

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發現Xilinx XDMA的功能，XDMA是一種高級直接內存訪問引擎，可增強跨FPGA和ACAP平台的數據交換。本文強調了XDMA對系統性能的實質性影響，在高需求方案中優化了CPU效率並提高吞吐量。當您探索其功能時，請了解XDMA如何加速FPGA操作並增強系統功能。

Xilinx XDMA的概述

Xilinx XDMA（直接內存訪問）是一種高級引擎，可優化Xilinx FPGA和ACAP產品之間的數據傳輸。通過直接在FPGA邏輯和處理器系統內存之間啟用有效的數據移動，XDMA大大減少了CPU工作負載。主要功能包括直接數據交換，該數據交換使用靈活的散點收集技術繞過CPU參與，對多個自主通道的支持以及可自定義的爆發尺寸以及與PCIE和AXI接口的無縫兼容性。此外，XDMA支持本地和遠程數據交易，從而增強了高帶寬FPGA操作的吞吐量。

XDMA的功能

•在沒有CPU參與的情況下，FPGA和內存之間的直接數據移動。

•散佈收集DMA的能力。

•可用多個DMA通道。

•轉移的可調節爆發尺寸。

•支持PCI Express和內存映射的AXI等接口。

•專為本地和遠程數據傳輸而設計。

•Xilinx提供了參考設計。

XDMA系統體系結構

XDMA System Architecture

控制路徑

控制路徑通過每個扮演多種角色的多個基本組件來協調DMA頻道操作。DMA引擎是處理數據傳輸請求的基礎，從而確保有效的任務執行。這些發動機與寄存器空間互動，允許適應特定操作需求的適應性配置。集成中斷控制器在轉移完成後或出現問題時提供及時的通知，從而促進系統的敏捷響應。補充這一點，散點機引擎管理著描述符，簡化了數據處理，並顯著減輕了CPU的負擔。

數據路徑

需要數據路徑來支持FPGA邏輯和內存之間的連續數據流，這是通過多個元素實現的。讀/寫引擎勤奮地管理雙向運動，保持一致性和速度。數據緩衝區在轉移過程中充當臨時持有空間，減輕潛伏期問題並增加吞吐量。作為基本鏈接，總線接口確保數據流與基本系統組件的無縫連接。這種配置保證了直接有效的數據傳輸，體現了一種被認為是當代數據密集型場景中最佳實踐的方法。

增強的XDMA傳輸模式

XDMA支持各種DMA傳輸模式，以增強處理數據的靈活性。這些模式包括用於單個連續塊轉移的簡單DMA，用於多個串聯塊轉移的散點收集DMA，以及中斷合併以鞏固中斷信號。它還具有自動SG鏈接，以鏈接散點收集塊，用於獨立並發轉移的多通道DMA以及用於自定義握手的通用邊帶信號。這些傳輸模式可以組合和量身定制，以優化不同的DMA工作流程，從而製定自定義和高效的數據處理策略。

增強的XDMA軟件驅動程序

為了促進CPU對XDMA的控制，Xilinx為Linux和獨立環境提供了軟件驅動程序。Linux驅動程序允許XDMA在Linux系統中以內核驅動器的形式控制，而獨立驅動程序則在沒有操作系統的情況下管理XDMA操作。這兩個驅動程序共享一個通用的軟件接口，在兩個環境中都提供一致的API。此外，用戶空間工具和參考設計測試工作台可用來協助應用程序測試和仿真測試案例。這些驅動因素和工具旨在加快有效管理DMA轉移所需的軟件的開發。

使用XDMA的好處

利用XDMA進行FPGA數據傳輸提供了許多好處，可提高系統效率，主要在數據驅動的環境中。它可以加速吞吐量的吞吐量，並通過卸載數據複製任務來減少CPU開銷。XDMA通過異步操作優化系統性能，並確保通過固定轉移更好地確定性。該體系結構簡化了數據流設置，並利用了PCI Express和AXI等本機總線協議。參考設計也可用於快速集成，使XDMA成為以數據為中心系統的高效解決方案。

XDMA的應用

高性能計算

在高性能計算中，XDMA是一種工具，可以增強基於FPGA的聚類和無縫的低延遲數據交換，從而解決了數據密集型操作中的瓶頸。它加速了傳感器數據獲取，促進了有助於處理和決策的環境。這標誌著管理大型數據流和提高操作效率的顯著改善。

網絡部門的優勢

XDMA通過卸載數據包處理任務，減少延遲並增加吞吐量來極大地使網絡部門受益。這減輕了中央處理單元上的工作量，從而釋放資源，以使其更流暢，更可靠的網絡性能以及促進速度和可靠性表現出色的網絡。

嵌入式系統功能

在嵌入式系統中，XDMA通過管理用於數據處理和分析的協調任務，有效地處理並發數據交易。該功能使嵌入式系統能夠迅速，精確地運行，從而在計算資源有限的環境和即時處理需求的環境中提供了優勢，從而強調了XDMA的多功能性和適用性。

PCIE項目的高級XDMA集成塊

Xilinx已使用PCIE量身定制了針對FPGA項目的高級XDMA塊，簡化了DMA操作並增強了直覺。該塊具有可自定義的頻道，可以對其進行精心調整以滿足各種應用程序的唯一數據流量需求。集成的高帶寬AXI接口可確保在當今數據驅動的環境中有效地處理大型數據量。該塊還為描述符更新提供了強大的硬件支持，從而改善了硬件級別的DMA交易管理，從而增加了吞吐量並減少了延遲。它包括多種通知機制，保持流程和監視系統有關交易狀態和錯誤的信息，並保持一致的系統可靠性。

通過促進與Ultrascale PCIE連接無縫集成的適應性標識符，XDMA塊簡化了可擴展和適應性的PCIE DMA配置的創建。這種適應性縮短了開發時間表，並允許以最小的干擾進行將來的更新。了解這些功能使開發人員能夠充分利用塊的功能，優化資源分配並確保在苛刻的方案中的系統穩定性。

Xilinx XDMA和統一內存訪問的進展

RDMA和Xilinx的統一內存訪問策略的進步顯著改善了遠程通信和內存映射的FPGA資源的使用，這是滿足增加計算需求的基礎。Xilinx的XDMA減少了潛伏期並增加了吞吐量，從而提高了高需求應用程序的性能。這些技術在數據密集型領域（例如高頻交易和科學研究）中主要是有益的，在高頻交易和科學研究中，快速處理可以加速結果。儘管XDMA提供了實質性的改進，但將其與傳統的RDMA集成可以優化各種操作的效率，從而為更具彈性和可擴展的系統奠定了基礎。

RDMA技術及其應用

Xilinx的RDMA IP核心在合併以太網和無線技術方面表現出色，為高性能應用提供了快速可靠的數據傳輸。它與包括ARM在內的各種處理器的兼容性，可以擴大其在不同技術平台上的使用。高級探測器技術和科學研究所需的核心是其管理多個通信協議的能力，可以增強其效用。RDMA技術通過最大化吞吐量並通過零拷貝網絡來最大程度地降低潛伏期，從而提高了在科學環境中處理大型數據集的基礎數據管理效率。這減少了處理器負載並促進複雜的數據分析。

rdma在以太網上

以太網上的RDMA（RDMAOE）互連FPGA和以太網開關，與Xilinx Ultrascale+ FPGA和Mellanox適配器兼容。它允許單芯片遠程內存訪問，但缺乏對Infiniband的廣泛支持。

rdma對PCIE

Xilinx的RDMA對PCIE的RDMA為多個Xilinx設備提供了PCIE標準的高級DMA解決方案。它包括開源硬件設計文件和用於直接內存傳輸的DDR-RAM接口驅動程序，從而提高數據傳輸速度。Xilinx在Infiniband上的RDMA促進了使用以前在Infiniband上支持的以太網界面傳輸數據。它不適用於諸如生命支持系統或安全氣囊部署之類的故障安全應用程序。

在您的項目中使用Xilinx XDMA

Using Xilinx XDMA in Your Project

Xilinx XDMA對於PCIE橋接有效，但僅限於一個PCIE通道。為了實現，Xilinx通過其DS-DMA子系統提供PCIE和DDR4接口，XDMA驅動程序簡化了數據傳輸管理。

Xilinx XDMA架構

XDMA架構包括一個對本機塊的Axi和PCIe橋的本地，使其與各種CPU兼容。該體系結構支持高速數據傳輸協議，並通過VXWorks軟件易於訪問。

Xilinx XDMA大小

優化Xilinx PCIE DMA子系統涉及測試各種設置，例如轉移大小和輪詢以確保最佳性能。

中斷處理

Xilinx XDMA支持基本的PCIE互連，並包括基於IRQ的尋址方案，但僅限於高級DMA實現。該系統支持中斷處理和掩蓋，這是在復雜處理器設計中有效管理數據吞吐量的基礎。

結論

Xilinx XDMA作為強大的直接內存訪問組件脫穎而出通過促進，這顯著增強了FPGA和ACAP體系結構沒有CPU干預的有效數據傳輸，這是基本的需要密集數據和I/O操作的應用程序。它的適應性傳輸模式允許自定義滿足特定申請需求，有效地管理工作負載和優化資源效率。XDMA還具有自適應集成驅動程序的啟用輕鬆地納入各種硬件配置，為您提供為了微調其特徵以實現的靈活性特定的項目目標。通過優化數據管理和卸載，XDMA可以改善系統性能，主要通過降低CPU 加載並允許CPU專注於其他任務，增強整體系統效率。