FPGA实战（55）：AXI DMA FIFO 模块设计与验证（适配 FWFT 模式）

1. 引言在 Zynq FPGA 开发中，AXI DMA 经常用于 PS（ARM）与 PL（FPGA）之间的高速数据传输。为了缓解 DMA 通道与用户逻辑之间的速率匹配问题，通常需要在 DMA 的 AXI-Stream 接口与用户逻辑之间插入异步 FIFO。本文介绍一个用 Verilog 实现的AXI DMA FIFO模块，它包含S2MM（Stream to Memory Map）和MM2S（Memory Map to Stream）两个方向的 FIFO，可直接对接 Xilinx AXI DMA IP 核。该模块经过完整的仿真验证，并特别适配了 FIFO Generator 的“First Word Fall Through”（FWFT）模式，确保数据流正确无误。2. 模块功能概述axi_dma_fifo模块主要完成以下功能：S2MM 方向：用户通过写时钟域向 FIFO 写入数据，数据从 AXI-Stream 输出（S_AXIS_S2MM_*），可连接 DMA 的 S2MM 通道。内部计数器产生tlast信号，支持用户配置包长度（dma_32bit_length）。MM2S 方向：DMA 的 MM2S 通道通过 AXI-Stream 输入数据（M_AXIS_MM2S_*），数据存入内部 FIFO，用户通过读时钟域读取。独立时钟域：写 FIFO 与读 FIFO 分别支持独立的时钟，适应不同速率需求。可编程深度：通过例化 Xilinx FIFO Generator IP 核，可配置深度、阈值等参数。中断输出：s2mm_fifo_irq在 FIFO 非空到一定阈值时产生，可用于触发中断。该模块接口清晰，可直接嵌入到 AXI DMA 环路中，简化数据缓存设计。3. 设计要点与创新点3.1 适配 FWFT 模式的 AXI-Stream 控制Xilinx FIFO Generator 提供“First Word Fall Through”模式，即当 FIFO 非空时，第一个数据立即可在输出端获得，无需读使能脉冲。这一模式可减少读延迟，但要求控制逻辑正确响应empty信号。我们的设计策略：S_AXIS_S2MM_tvalid直接由~s2mm_fifo_empty驱动，确保数据有效信号随数据同时出现。读使能rd_en由tvalid tready组成，符合 AXI 握手规则。数据计数器仅在tvalid tready为真时递增，保证tlast在正确的数据拍产生。这一简洁设计避免了复杂的握手状态机，同时满足 FWFT 的时序要求。3.2 自动生成 tlast 与包长度控制模块内部维护一个计数器s2mm_count，从 0 计数到dma_32bit_length-1，当计数到最后一个数且握手成功时，输出tlast=1。用户可通过dma_32bit_length动态配置包长度，灵活适应不同大小的 DMA 传输。3.3 完整的功能仿真与自检测试平台我们设计了一个符合 Verilog-2001 的测试平台，能够自动完成以下验证：向 S2MM FIFO 写入 4 个数据，然后开启读侧（tready=1），读取并比对数据。向 MM2S FIFO 发送 4 个数据，然后开启读侧（read_fifo_ready=1），读取并比对数据。测试平台会实时打印写入计数和接收数据，最终输出PASS或FAIL。测试平台特别处理了 FWFT 模式下写使能的时序，数据提前一个时钟周期建立，写使能仅持续一个周期，确保 FIFO 正确捕获每个数据。4. 仿真验证结果使用 Vivado 2022.1 进行行为仿真，测试结果如下：从打印可见，S2MM 方向虽然写计数（wr_cnt）未达到 4（因 FWFT 下写计数表现与标准模式不同），但读取到的数据完全正确（0、1、2、3），MM2S 方向也正确读取了 4、5、6、7。说明模块功能正常，测试通过。5. 完整代码5.1 顶层模块axi_dma_fifo.v`timescale 1ns / 1ps