高級(jí)可擴(kuò)展接口（AXI）簡(jiǎn)介

本文將討論AMBA的第三次修訂版，該修訂版向世界介紹了高級(jí)可擴(kuò)展接口（AXI）協(xié)議。
AXI協(xié)議最初是為高頻系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，旨在滿足各種組件的接口要求，同時(shí)允許靈活地互連這些組件。適用于高頻，低延遲設(shè)計(jì)，AXI仍與先前的AMBA版本向后兼容AHB和APB。
了解AXI將使您深入了解SoC的工作原理，同時(shí)使您成為一名多才多藝且全面的設(shè)計(jì)師。

AXI架構(gòu)

回想一下，AHB（高級(jí)高性能總線）是單通道總線，多個(gè)主機(jī)和從機(jī)用于交換信息。優(yōu)先級(jí)仲裁器確定當(dāng)前哪個(gè)主機(jī)使用該總線，而中央解碼器執(zhí)行從機(jī)選擇。突發(fā)執(zhí)行操作可能需要花費(fèi)多個(gè)總線周期才能完成。每個(gè)突發(fā)傳輸都包括一個(gè)地址和控制階段，隨后是一個(gè)數(shù)據(jù)階段。
AXI的設(shè)計(jì)理念相似，但使用多個(gè)專用通道進(jìn)行讀寫(xiě)。像它的前身一樣，AXI是基于突發(fā)的，并且在交換數(shù)據(jù)之前使用類似的地址和控制階段。AXI還包括許多新功能，包括亂序事務(wù)，未對(duì)齊的數(shù)據(jù)傳輸，高速緩存支持信號(hào)和低功耗接口。

AXI頻道

AXI主站和從站之間有五個(gè)獨(dú)立的通道。它們是：

• 讀取地址通道

• 讀取數(shù)據(jù)通道

• 寫(xiě)地址通道

• 寫(xiě)數(shù)據(jù)通道

• 寫(xiě)響應(yīng)通道
  

地址通道用于在執(zhí)行主從之間的基本握手時(shí)發(fā)送地址和控制信息。數(shù)據(jù)通道是要交換信息的放置位置。
主機(jī)從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫(xiě)入從機(jī)。讀取響應(yīng)信息放置在讀取數(shù)據(jù)通道上，而寫(xiě)入響應(yīng)信息具有專用通道。這樣，主機(jī)可以驗(yàn)證寫(xiě)事務(wù)已完成。
圖1顯示了通過(guò)五個(gè)AXI通道連接的AXI主從設(shè)備。


圖1.AXI通道
每次數(shù)據(jù)交換都稱為事務(wù)。事務(wù)包括地址和控制信息，發(fā)送的數(shù)據(jù)以及任何響應(yīng)信息。實(shí)際數(shù)據(jù)以突發(fā)方式發(fā)送，其中包含多次傳輸。圖1顯示了由4個(gè)拍子或數(shù)據(jù)傳輸組成的讀寫(xiě)突發(fā)。
我們將在本文后面詳細(xì)討論突發(fā)。

AXI信號(hào)

就像以前的AMBA版本中的AHB，ASB和APB信號(hào)一樣，每個(gè)AXI通道都有許多與之相關(guān)的信號(hào)。有兩個(gè)全局信號(hào)稱為ACLK和ARESETn。它們分別是系統(tǒng)的全局時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)。ARESETn的后綴“ n”表示此信號(hào)為低電平有效。
圖2顯示了與讀取通道相對(duì)應(yīng)的信號(hào)以及全局信號(hào)。


圖2.讀取地址，讀取數(shù)據(jù)和全局信號(hào)
每個(gè)通道都有一個(gè)ID標(biāo)簽，用于無(wú)序交易。具有相同ID的任何事務(wù)都必須保留順序，但是具有不同ID的事務(wù)可以按任何順序完成。這樣，即使較慢的事務(wù)首先發(fā)出，也可以在較慢的事務(wù)之前完成較快的事務(wù)。例如，如果一個(gè)主設(shè)備正在將數(shù)據(jù)寫(xiě)入多個(gè)從設(shè)備，則事務(wù)ID將允許更快的從設(shè)備更快完成。
總線寬度是特定于實(shí)現(xiàn)的，但是這些信號(hào)以32位總線寬度顯示。從機(jī)使用RLAST信號(hào)向主機(jī)發(fā)送最后一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)正在傳輸?shù)男盘?hào)。
其他值得注意的信號(hào)包括突發(fā)大小，長(zhǎng)度和類型。VALID和READY信號(hào)用于主機(jī)和從機(jī)之間的握手。這些將在本文后面討論。
緩存，鎖定和保護(hù)信號(hào)分別用于緩存，互斥訪問(wèn)（原子操作）和非法訪問(wèn)保護(hù)。


圖3.寫(xiě)入地址，數(shù)據(jù)和響應(yīng)信號(hào)
圖3顯示了寫(xiě)地址，數(shù)據(jù)和響應(yīng)信號(hào)。這些信號(hào)反映了上面的讀取信號(hào)，但被主機(jī)用來(lái)將數(shù)據(jù)發(fā)送到從機(jī)。WLAST向從站發(fā)出信號(hào)，表明正在發(fā)送最后一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。專用的寫(xiě)響應(yīng)信號(hào)使主機(jī)可以知道寫(xiě)事務(wù)已成功完成。
有關(guān)這些信號(hào)的更詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參閱AMBA 3.0版，尤其是AMBA AXI協(xié)議v1.0規(guī)范。

AXI交易

如前所述，AXI數(shù)據(jù)傳輸稱為事務(wù)。事務(wù)可以采用讀或?qū)懙男问?，并包括地?控制信息，數(shù)據(jù)和響應(yīng)。數(shù)據(jù)以脈沖串的形式發(fā)送，其中包括多個(gè)稱為節(jié)拍的數(shù)據(jù)項(xiàng)。為了同步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，AXI主站和從站在事務(wù)開(kāi)始時(shí)使用READY和VALID信號(hào)執(zhí)行握手。

通道握手

每個(gè)AXI通道都包含一個(gè)有效信號(hào)和一個(gè)就緒信號(hào)。這些用于同步和控制傳輸速率。這里要記住的重要一點(diǎn)是，源或發(fā)送者使用VALID信號(hào)表示數(shù)據(jù)或控制信息可用。當(dāng)目的地或接收者實(shí)際上能夠使用該信息時(shí)，它會(huì)發(fā)出READY信號(hào)。因此，只有當(dāng)VALID和READY信號(hào)都有效時(shí)，才可以進(jìn)行傳輸。
圖4顯示了工作中的AXI握手。通知信息傳輸（用箭頭表示）僅在VALID和READY都較高時(shí)發(fā)生，而不管哪個(gè)先斷言。還要注意，AXI在所有傳輸中都使用時(shí)鐘上升沿。


圖4.AXI握手機(jī)制（改編自AXI規(guī)范v1.0）
AXI規(guī)范中的一個(gè)重要說(shuō)明是，一個(gè)組件的VALID信號(hào)絕不能依賴于另一個(gè)組件的READY信號(hào)。READY可以等待VALID信號(hào)，但不是必須的。遵循這些規(guī)則消除了發(fā)生死鎖的可能性。如果VALID依賴于READY，而READY則依賴于VALID，則很容易看到兩個(gè)信號(hào)都不會(huì)置為有效，因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)都在等待另一個(gè)信號(hào)。

AXI爆發(fā)

AXI中的數(shù)據(jù)交換采用突發(fā)形式。每個(gè)突發(fā)包括多個(gè)節(jié)拍或數(shù)據(jù)傳輸。在事務(wù)開(kāi)始時(shí)發(fā)送的控制信息指示正在傳輸?shù)耐话l(fā)的長(zhǎng)度，大小和類型。
X代表R或W的AXLEN [3：0]表示突發(fā)中的拍數(shù)。寬度為4位，這意味著一個(gè)突發(fā)中最多可以進(jìn)行16次傳輸。AXLEN = b0000表示每次連發(fā)有一個(gè)節(jié)拍。b0001，b0010和b0011的值分別代表兩個(gè)拍子，三個(gè)拍子和四個(gè)拍子。這種模式一直持續(xù)到十六歲。組件必須完成AXLEN指定的所有節(jié)拍，無(wú)論是否使用數(shù)據(jù)。
AXSIZE [2：0]指定突發(fā)的每個(gè)拍中有多少個(gè)字節(jié)。AXSIZE中的每個(gè)位代表另一次冪2，“ 000”代表每個(gè)節(jié)拍1個(gè)字節(jié)，“ 111”代表每個(gè)節(jié)拍最多128個(gè)字節(jié)。這些節(jié)拍的大小不能超過(guò)母線寬度。
AXburst[1：0]確定將執(zhí)行的突發(fā)類型。
AXI中有三種突發(fā)類型。他們是：

• 固定爆發(fā)

• 突發(fā)增加

• 包裝爆裂
  

在固定的脈沖串中，地址不會(huì)隨著每個(gè)節(jié)拍而改變。一個(gè)典型的應(yīng)用是FIFO隊(duì)列/緩沖區(qū)。
增量突發(fā)代表更典型的傳輸類型，其中在每個(gè)拍子之后，傳輸?shù)刂范紩?huì)遞增。您可以將其視為與基址的偏移量。
最終的突發(fā)類型是包裝突發(fā)。包裝突發(fā)與增量突發(fā)類似，不同之處在于存在一個(gè)包裝邊界，其中地址一旦增加到該點(diǎn)，它就會(huì)纏繞到一個(gè)較低的地址。
圖5顯示了三種不同類型的AXI突發(fā)的簡(jiǎn)化視圖。


圖5.AXI突發(fā)類型

AXI互連

AXI互連允許多個(gè)主機(jī)和/或多個(gè)從機(jī)相互連接。AXI規(guī)范定義了主機(jī)和從機(jī)，主機(jī)和互連以及從機(jī)和互連之間的接口。
實(shí)際上，互連包含連接到AXI主設(shè)備的從設(shè)備接口和連接到AXI從設(shè)備的主設(shè)備接口?；ミB中發(fā)生的事情（即，不同的主機(jī)如何與不同的從機(jī)通信）取決于實(shí)現(xiàn)方式?；ミB可以允許共享的地址總線，共享的數(shù)據(jù)總線都共享或不共享。
在下一篇文章中，我們將研究AXI互連，它們?nèi)绾喂ぷ饕约叭绾卧谠O(shè)計(jì)中使用它們。

結(jié)論

本文是對(duì)高級(jí)可擴(kuò)展接口（AXI）協(xié)議的基本介紹。我們查看了AMBA第三版中指定的舊版AXI。如前所述，您可以參考AMBA AXI協(xié)議v1.0（約一百頁(yè)），以更深入地了解AXI的第一個(gè)版本。隨著新版本的AXI（例如AXI4，AXI4-Lite和AXI4-Stream），AXI在AMBA版本4中看到了一些重大變化。
將來(lái)的AMBA文章將討論用于組件之間系統(tǒng)級(jí)緩存一致性的AXI4和ACE協(xié)議（AXI一致性擴(kuò)展）。AXI已成為現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)中廣泛使用的協(xié)議。在學(xué)習(xí)AXI時(shí)，更簡(jiǎn)單的總線協(xié)議（如Avalon和Wishbone）將變得更加容易。