Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
#한 줄 요약
“Zynq의 GP/HP/ACP는 latency × throughput × cache coherence의 3축에서 다른 자리를 차지합니다.” 작은 control은 GP, 큰 throughput은 HP, cache-coherent shared data는 ACP가 답입니다.
#어떤 상황에서 쓰나
Zynq 7000, UltraScale+, Versal 등 SoC FPGA에서 *ARM PS(Processing System)*와 *PL(Programmable Logic)*이 데이터를 주고받을 때마다 인터페이스 선택이 필요합니다. 이걸 잘못 고르면 throughput이 1/10로 줍니다.
#핵심 개념 — 인터페이스 종류
Zynq 7000 기준입니다 (UltraScale+는 더 다양함).
PS → PL (PS가 master, PL이 slave): M_AXI_GP0, GP1 — General Purpose, 32-bit, 250 MHz → PL의 control register access
PL → PS (PL이 master, PS가 slave): S_AXI_GP0, GP1 — 32-bit, 일반 access S_AXI_HP0..HP3 — High Performance, 64-bit, ~600 MB/s 각 → DDR 직접 access (cache bypass) S_AXI_ACP — Accelerator Coherency Port, 64-bit → L2 cache coherent| 인터페이스 | 폭 | Cache coherent | 용도 |
|---|---|---|---|
| M_AXI_GP | 32 | No | PS → PL register write |
| S_AXI_GP | 32 | No | PL → PS, 작은 size |
| S_AXI_HP | 64 | No (cache bypass) | PL → DDR, 큰 throughput |
| S_AXI_ACP | 64 | Yes (L2) | PL ↔ PS cache-shared data |
#GP — Control Register
// PL 측 AXI-Lite slave (M_AXI_GP의 target)module ctrl_regs ( input wire s_aclk, input wire s_aresetn, // ... AXI-Lite slave signals output reg [31:0] cmd, output reg [31:0] args[0:7], input wire [31:0] status, input wire [31:0] res[0:7]);PS의 Cortex-A에서 일반 pointer write로 PL register에 access:
volatile uint32_t *regs = (uint32_t*)0x43C00000; // BAR baseregs[0] = OP_PROCESS; // cmdregs[1] = buf_addr;regs[2] = buf_len;작은 control은 GP, 전송 비용은 µs 단위. 큰 data 못 옮김.
#HP — DDR Bulk Throughput
PL에서 DDR에 직접 read/write. PS의 L1/L2 cache를 우회합니다.
S_AXI_HP path: PL AXI master → HP port → DDR controller → DDR
throughput: 64-bit × 150 MHz × 4 port = ~4.8 GB/s 이론값// PS 측에서 buffer 준비uint8_t *buf = aligned_alloc(64, SIZE);// cache 일관성 위해 *PS write 후 flush*__clean_dcache_area_poc(buf, SIZE);
// PL에 buf physical addr 전달regs[0] = OP_DMA;regs[1] = virt_to_phys(buf);regs[2] = SIZE;
// PL이 HP로 DDR에서 read// 완료 IRQ 받음
// 결과는 *PL이 DDR에 write*. PS는 cache invalidate 후 read.__invalidate_dcache_area_poc(buf, SIZE);process(buf);Cache flush/invalidate를 잊으면 옛 cache 값을 봅니다.
#ACP — Cache-Coherent
PL이 L2 cache에 coherent하게 access. Cache flush 필요 없음.
S_AXI_ACP path: PL → ACP port → L2 cache (snoop) → DDR (miss 시)
throughput: HP보다 *낮음* (~400 MB/s)latency: HP보다 *낮음* (cache hit 시)// PS 측 — cache flush 필요 없음uint8_t *buf = aligned_alloc(64, SIZE);prepare(buf);
regs[0] = OP_ACP_DMA;regs[1] = virt_to_phys(buf);regs[2] = SIZE;
// PL이 ACP로 read — L2 cache에서 가져옴// PL이 ACP로 write — L2 cache에 쓰임 (snoop)// PS가 buf를 다시 읽으면 자동 coherentprocess(buf);작은 frequent transaction에 유리. 큰 bulk는 cache pollution 위험.
#선택 가이드
| 사용 사례 | 인터페이스 |
|---|---|
| PL register polling | M_AXI_GP |
| 1 KB 이하, control 위주 | M_AXI_GP + S_AXI_GP |
| 1 KB 이상, throughput | S_AXI_HP |
| 자주 access, cache 공유 | S_AXI_ACP |
| Stream (camera, network) | S_AXI_HP + descriptor in GP |
| Real-time DMA | S_AXI_HP (predictable latency) |
#AXI Lite slave 예 (M_AXI_GP 측)
module mbox_lite #( parameter ADDR_W = 8)( input wire clk, input wire rstn, // AXI Lite slave input wire [ADDR_W-1:0] s_awaddr, input wire s_awvalid, output wire s_awready, input wire [31:0] s_wdata, input wire [3:0] s_wstrb, input wire s_wvalid, output wire s_wready, output wire [1:0] s_bresp, output wire s_bvalid, input wire s_bready, input wire [ADDR_W-1:0] s_araddr, input wire s_arvalid, output wire s_arready, output wire [31:0] s_rdata, output wire [1:0] s_rresp, output wire s_rvalid, input wire s_rready, // User signal output reg [31:0] cmd, output reg [31:0] doorbell, input wire [31:0] status); // ... 매우 길어짐. Vivado IP Wizard가 자동 생성 가능endmodule손으로 짜면 한 모듈에 100+ line. Vivado의 Create and Package New IP → AXI Peripheral wizard가 boilerplate를 만들어 줍니다.
#AXI Master (S_AXI_HP 측)
module dma_engine ( input wire clk, input wire rstn, // AXI master output reg [31:0] m_araddr, output reg [7:0] m_arlen, // burst length output reg [2:0] m_arsize, output reg [1:0] m_arburst, // INCR / WRAP output reg m_arvalid, input wire m_arready, input wire [63:0] m_rdata, input wire m_rvalid, output reg m_rready, input wire m_rlast, // Control input wire start, input wire [31:0] src_addr, input wire [31:0] len_bytes); // burst read state machineendmoduleBurst size를 키울수록 throughput이 좋습니다. AXI는 최대 256 beat까지 한 burst.
#Linux에서 PL과 통신
#/dev/mem로 register access
int fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);volatile uint32_t *regs = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0x43C00000);regs[0] = 0x1234;테스트용은 OK. Production은 UIO 사용.
#UIO
int fd = open("/dev/uio0", O_RDWR);volatile uint32_t *regs = mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);regs[0] = OP_START;
uint32_t irq_count;read(fd, &irq_count, 4); /* wait IRQ */Device tree에 PL device 등록:
my_accel@43c00000 { compatible = "generic-uio"; reg = <0x43c00000 0x1000>; interrupt-parent = <&intc>; interrupts = <0 29 4>;};#DMA buffer
// CMA-allocated coherent buffervoid *buf = dma_alloc_coherent(dev, SIZE, &dma_handle, GFP_KERNEL);// dma_handle은 physical addr — PL에 전달cache invalidate를 kernel이 자동 처리.
#측정 — 인터페이스별 throughput
Zynq Z-7020, 100 MHz fabric, 533 MHz DDR3 기준입니다.
| 인터페이스 | bandwidth (이론) | 실측 (sustained) |
|---|---|---|
M_AXI_GP | 32-bit × 100 MHz | ~80 MB/s (write), ~50 MB/s (read) |
S_AXI_HP | 64-bit × 150 MHz | ~600 MB/s |
S_AXI_ACP | 64-bit × 150 MHz | ~400 MB/s (cache hit), ~150 MB/s (miss) |
4× S_AXI_HP | parallel | ~2 GB/s aggregate |
Camera 1080p60 (~370 MB/s)는 HP 하나면 충분. 4K60 raw 12-bit (~3 GB/s)는 4× HP 또는 압축 필요.
#자주 보는 함정
Cache invalidate 누락
dma_read_to(buf, SIZE); /* PL이 buf 채움 */process(buf); /* PS가 옛 cache 값 봄 */__invalidate_dcache_area_poc(buf, SIZE) 또는 non-cacheable 영역 사용.
Write coalescing 없는 HP
// 1 byte씩 100번 write → 100 transaction// 32-byte burst 1번 = 25 cycle, 100배 차이PL DMA는 burst 단위로 묶기. 1 cycle 1 transaction은 throughput을 망칩니다.
ACP를 큰 bulk에 사용
1 MB을 ACP로 read → L2 cache (256 KB) 전체 오염 → PS performance 폭락ACP는 작고 잦은 access에. Bulk는 HP.
GP에 큰 데이터 보냄
for (int i = 0; i < 1024; i++) regs[i] = data[i];/* → MMIO 1024번, 수십 ms */GP는 control만. Bulk는 DMA + HP/ACP.
Multiple master 충돌
HP0: camera DMAHP1: network packetHP2: video encoderHP3: audio
→ DDR bandwidth 한계로 *serialize* + jitter 증가Total HP throughput ≤ DDR bandwidth × 0.7 (efficiency). 4× HP의 합이 DDR 한계를 넘으면 backpressure.
AXI handshake protocol 위반
valid가 떨어진 후 그대로 유지해야 ready까지 기다림. 중간에 valid를 떨구면 bus hang.
#정리
- Zynq PS-PL은 GP (control), HP (throughput), ACP (coherent) 세 종류.
- GP는 32-bit 250 MHz, 작은 register access.
- HP는 64-bit 150 MHz × 4 port, ~2 GB/s aggregate, cache bypass.
- ACP는 cache-coherent, 작은 frequent access에 유리.
- HP 사용 시 cache flush/invalidate 명시.
- Burst size 키우기 = throughput 키우기.
- Linux는 UIO + dma_alloc_coherent가 표준.
- DDR bandwidth 한계를 항상 염두에.
다음 편은 Mailbox Protocol입니다.
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