AXI4 、 AXI4-Lite 、AXI4-Stream接口

第一次接觸AXI 4 總線是在使用xilinx zynq的時(shí)候，當(dāng)時(shí)用的時(shí)候一團(tuán)霧水，現(xiàn)在霧水少了些，但還是有很多地方?jīng)]有接觸到。本文作為自己的總結(jié)，有任何問題，歡迎批評(píng)指正。

什么是AXI總線？

AXI 作為 ARM AMBA 微控制器總線的一部分，第一次出現(xiàn)在AMBA 3.0中。后面AMBA 4.0發(fā)布，AXI4出現(xiàn)了。

AXI 4總線和別的總線一樣，都用來傳輸bits信息（包含了數(shù)據(jù)或者地址）。AXI4總線有三種類型，分別是AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream。

AXI4 是一種高性能memory-mapped總線，AXI4-Lite是一只簡(jiǎn)單的、低通量的memory-mapped 總線，而 AXI4-Stream 可以傳輸高速數(shù)據(jù)流。從字面意思去理解，AXI4-Lite是AXI4的輕量版。這里保留了memory-mapped的寫法，主要是為了與AXI4-Stream區(qū)分開。

memory-mapped 可以這樣去理解，假設(shè)有master A , 和 slave B, A與B通過AXI4或者AXI4-Lite連接通訊，A可以把B這個(gè)外設(shè)看作A上的某個(gè)地址。當(dāng)A向B傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，就等同于A向這個(gè)地址傳輸數(shù)據(jù)。

AXI4-Stream與AXI4、AXI4-Lite不同， 它不需要地址通道。

AXI4 、 AXI4-Lite 、AXI4-Stream接口

AXI4 和 AXI4-Lite接口包含5個(gè)不同的通道：兩個(gè)讀通道和三個(gè)寫通道。

兩個(gè)讀通道：讀地址通道(read address channel)、讀數(shù)據(jù)通道(read data channel)；

三個(gè)寫通道：寫地址通道(write address channel)、寫數(shù)據(jù)通道(write data channel)、寫響應(yīng)通道(write response channel)；

AXI4讀通道操作 圖片源自參考[1]

AXI4 寫通道操作 圖片源自參考[1]

讀通道和寫通道是分開的，因此可以完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸。此外AXI4能夠?qū)崿F(xiàn)burst傳輸，換句說就是，可以在一個(gè)地址后傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)，最多可以達(dá)256 字節(jié)。AXI4-Lite不支持burst傳輸。

AXI4-Stream 只有一個(gè)通道，不需要地址，可以burst 傳輸無限的數(shù)據(jù)。

常見的輔助IP

AXI Interconnect IP 和AXI SmartConnect IP ：

上文提到AXI4 和 AXI4-Lite采用了memory-mapped 的方式，無論是1個(gè)master和1個(gè)slave、1個(gè)master和N個(gè)slave、N個(gè)master和1個(gè)slave、N個(gè)master和M個(gè)slave，采用這兩個(gè)ip能幫助我們完成映射。

AXI FIFOs ：

緩存數(shù)據(jù)，或者跨時(shí)鐘域時(shí)有用。

AXI Direct Memory Access (DMA) engines

當(dāng)我們有一個(gè)AXI4-stream接口的IP想與AXI4接口的IP相連時(shí)，可以通過AXI DMA完成轉(zhuǎn)換。

ZYNQ上的AXI接口

圖片源自 zynq 7 processing system ip

zynq的ps上共留了9個(gè)AXI接口，其中兩個(gè)GP AXI master、兩個(gè)GP AXI slave、四個(gè)HP AXI slave、以及一個(gè)ACP AXI slave。

這些接口都是AXI3類型的，但使用AXI4-Lite、AXI4 的IP仍然可以與這些接口通訊，因?yàn)樵趯?shí)際使用中，軟件會(huì)使用AXI Interconnect ip幫助我們完成接口的轉(zhuǎn)換。

主要參考

[1] ug1037-vivado-axi-reference-guide

[2] ug585-Zynq-7000-TRM

AXI4-Stream在AXI4家族中相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，接下來主要回答兩個(gè)問題：

（1）AXI4-Stream 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流都包含什么？

（2）AXI4-Stream 的接口信號(hào)有哪些？master和slave是如何握手的？

數(shù)據(jù)流

AXI4-Stream傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流包含三種類型：data type、position type、null type。

data type是最有意義的數(shù)據(jù)；position type 作為占位符使用，可以用來表征date type 的相對(duì)位置，null type不包含任何有用的信息。

數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)可以有很多種，例如：可以只傳數(shù)據(jù)，也即都是data type，不包含position type和null type；也可以將data type 和 null type 混著傳輸；還可以將position type 和 data type混著傳輸。當(dāng)然，三者混著傳輸也沒有問題。

全都是data type

data type 和 position type 混搭

那么問題來了，數(shù)據(jù)流傳輸類型有三種，在傳輸?shù)倪^程中如何分辨這三種類型呢？AXI4-Stream的接口信號(hào)可以幫助我們進(jìn)行區(qū)分，接下來看看都有哪些接口信號(hào)。

接口信號(hào)

先來一圖盡覽：

ACLK和ARESETn信號(hào)，不必多說，時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)；

接下來是TVALID和TREADY信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)作為握手信號(hào)，分別從master 和 slave發(fā)出。如何握手呢？想想一下，你和別人握手的過程，大概分為三個(gè)階段：雙方心里進(jìn)行某種心理活動(dòng)、伸手、握手上下抖動(dòng)；AXI4-Stream上握手也大體經(jīng)歷這三個(gè)過程。

（1）雙方心里進(jìn)行某種心理活動(dòng)：相當(dāng)于 master 和 slave 在自己內(nèi)部搞事情，搞完自己的事情才能閑下來去握手，master搞完事情發(fā)出 TVALID high 信號(hào)，slave 搞完事情發(fā)出TREADY high 信號(hào)。

（2）伸手的過程其實(shí)比較講究，現(xiàn)實(shí)生活中也是。你和別人握手，可能對(duì)方先伸手、也可能你先伸手、也可能你倆同時(shí)伸手。master和slave也是如此，可能 TVALID high 信號(hào)比TREADY high 早，可能TVALID比TREADY晚，也可能同時(shí)出現(xiàn)。

（3）握手上下抖動(dòng)：當(dāng)你們兩個(gè)都抬起了手，接下來就是隆重的握手階段，在握手的時(shí)候，你可以感受到對(duì)方的手那么有力量......master和slave在TVALID 和 TREADY同為高時(shí)開始傳輸數(shù)據(jù)。

TVALID 先高為敬

TREADY 先高為敬

TVALID TREADY 同時(shí)變高

TDATA不多說了，它就是數(shù)據(jù)流。前文中提到在數(shù)據(jù)流中有三種類型，分別為data type、position type和null type，那么在傳輸?shù)臅r(shí)候如何區(qū)分呢？要靠TKEEP和TSTRB。

為了便于說明，假設(shè)n為數(shù)據(jù)總線的字節(jié)數(shù)，即TDATA的字節(jié)數(shù)，可以把TDATA表示為TDATA[(8*n-1):0]，TKEEP和TSTRB有n位，和TDATA上的每個(gè)字節(jié)一一對(duì)應(yīng)，二者共同表示TDATA上每個(gè)字節(jié)的類型。舉個(gè)例子，n = 2、TDATA = 0x0036、TKEEP = 2'b01、 TSTRB= 2'b01。由于TKEEP和TSTRB高位為0，那么TDATA的高階字節(jié)為null type；由于TKEEP和TSTRB地位為1,那么TDATA的低階字節(jié)為data type。

有一點(diǎn)需要注意，TKEEP為0、TSTRB為1的情況是不能使用的。

TKEEP 和 TSTRB 表示數(shù)據(jù)流中字節(jié)類型

TLAST信號(hào)，用來表示一個(gè)包的結(jié)尾。例如發(fā)送大小為32字節(jié)的包，在發(fā)送第32個(gè)字節(jié)的時(shí)候，可以把TLAST信號(hào)拉高，來表示這個(gè)包發(fā)送完了。

TID和TDEST信號(hào)：當(dāng)我們?cè)谕粋€(gè)接口傳輸不同數(shù)據(jù)流時(shí)有用，一般來講，AXIS4-Stream Interconnect Core IP可以幫助我們完成這個(gè)過程。TUSER信號(hào)用來傳輸一些額外的信息。

參考

[1] ug1037-vivado-axi-reference-guide.pdf

[2] IHI0051A_amba4_axi4_stream_v1_0_protocol_spec.pdf

審核編輯 ：李倩