AXI總線協(xié)議總結(jié)

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在介紹AXI之前，先簡單說一下總線、接口以及協(xié)議的含義

總線、接口和協(xié)議，這三個詞常常被聯(lián)系在一起，但是我們心里要明白他們的區(qū)別。

1.簡介
AXI4總線協(xié)議是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）3.0協(xié)議中最重要的部分，是一種面向高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線。

AXI4總線協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸方式是猝發(fā)式的。它的地址/控制和數(shù)據(jù)相位是分離的，支持不對齊的數(shù)據(jù)傳輸。在突發(fā)傳輸中，使用首字節(jié)選通方式，只需要首地址，在獨立的讀寫數(shù)據(jù)通道，采用獨立的地址、控制和數(shù)據(jù)周期進行數(shù)據(jù)傳輸，支持非對齊方式的數(shù)據(jù)傳輸，能夠發(fā)出多個未解析的地址，從而完成無序的數(shù)據(jù)傳輸交易，并更加容易并行時序收斂。

AXI是AMBA 中一個新的高性能協(xié)議。AXI 技術(shù)豐富了現(xiàn)有的AMBA 標準內(nèi)容，滿足超高性能和復(fù)雜的片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計的需求。

常用的AXI總線有：AXI4、 AXI_Lite、AXI_Stream。

AXI4：主要面向高性能地址映射通信的需求，允許最大256輪的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸；

AXI4-Lite：是一個輕量級的地址映射單次傳輸接口，占用很少的邏輯單元；

AXI4-Stream：面向高速流數(shù)據(jù)傳輸，去掉了地址項，允許無限制的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸規(guī)模。

AXI4總線分為主、從兩端，兩者間可以連續(xù)的進行通信。

2. AXI_Lite 協(xié)議
axi總線的6個通道

（ 1） 讀地址通道， 包含 ARVALID, ARADDR, ARREADY信號；
（ 2） 讀數(shù)據(jù)通道， 包含 RVALID, RDATA, RREADY, RRESP信號；
（ 3） 寫地址通道， 包含 AWVALID, AWADDR, AWREADY信號；
（ 4） 寫數(shù)據(jù)通道， 包含 WVALID, WDATA, WSTRB, WREADY信號；
（ 5） 寫應(yīng)答通道， 包含 BVALID, BRESP, BREADY信號；
（ 6） 系統(tǒng)通道， 包含 ACLK, ARESETN信號。

AXI4總線和AXI4-Lite總線的信號也有他的命名特點：

讀地址信號都是以AR開頭（ A： address； R： read）

寫地址信號都是以AW開頭（ A： address； W： write）

讀數(shù)據(jù)信號都是以R開頭（ R： read）

寫數(shù)據(jù)信號都是以W開頭（ W： write）

3.AXI_Stream 協(xié)議
AXI4-Stream總線的組成有：
（ 1） ACLK 信號： 總線時鐘， 上升沿有效；
（ 2） ARESETN 信號： 總線復(fù)位， 低電平有效
（ 3） TREADY 信號： 從機告訴主機做好傳輸準備；
（ 4） TDATA 信號： 數(shù)據(jù)， 可選寬度32,64,128,256bit
（ 5） TSTRB 信號： 字節(jié)修飾符， 每一bit對應(yīng)TDATA的一個有效字節(jié)， 寬度為TDATA/8，用來描述TDATA相關(guān)字節(jié)內(nèi)容作為一個數(shù)字字節(jié)或者一個位置字節(jié)被處理。
（ 6） TLAST 信號： 主機告訴從機該次傳輸為突發(fā)傳輸?shù)慕Y(jié)尾；
（ 7） TVALID 信號： 主機告訴從機數(shù)據(jù)本次傳輸有效；
（ 8） TUSER 信號 ： 用戶定義信號， 寬度為128bit。

4.其他
4.1 AXI架構(gòu)
AXI協(xié)議是基于burst的傳輸，并且定義了5個獨立的傳輸通道：

讀地址通道、讀數(shù)據(jù)通道、寫地址通道、寫數(shù)據(jù)通道、寫響應(yīng)通道。

地址通道攜帶控制消息用于描述被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)屬性；

數(shù)據(jù)傳輸使用寫通道來實現(xiàn)“主”到“從”的傳輸；

“從”使用寫響應(yīng)通道來完成一次寫傳輸；

讀通道用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)從“從”到“主”的傳輸。

圖4-1 讀結(jié)構(gòu)

圖4-2 寫架構(gòu)

AXI是基于VALID/READY的握手機制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，傳輸源端使用VALID表明地址/控制信號、數(shù)據(jù)是有效的，目的端使用READY表明自己能夠接受信息。

讀/寫地址通道：讀、寫傳輸每個都有自己的地址通道，對應(yīng)的地址通道承載著對應(yīng)傳輸?shù)牡刂房刂菩畔ⅰ?/p>

讀數(shù)據(jù)通道：讀數(shù)據(jù)通道承載著讀數(shù)據(jù)和讀響應(yīng)信號包括數(shù)據(jù)總線（8/16/32/64/128/256/512/1024bit）和指示讀傳輸完成的讀響應(yīng)信號。

寫數(shù)據(jù)通道：寫數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)信息被認為是緩沖（buffered）了的，“主”無需等待“從”對上次寫傳輸?shù)拇_認即可發(fā)起一次新的寫傳輸。寫通道包括數(shù)據(jù)總線（8/16…1024bit）和字節(jié)線（用于指示8bit 數(shù)據(jù)信號的有效性）。

寫響應(yīng)通道：“從”使用寫響應(yīng)通道對寫傳輸進行響應(yīng)。所有的寫傳輸需要寫響應(yīng)通道的完成信號。

圖4-3 接口與互聯(lián)

AXI協(xié)議提供單一的接口定義，能用在下述三種接口之間：master/interconnect、slave/interconnect、master/slave。

可以使用以下幾種典型的系統(tǒng)拓撲架構(gòu)：

共享地址與數(shù)據(jù)總線
共享地址總線，多數(shù)據(jù)總線
multilayer多層，多地址總線，多數(shù)據(jù)總線

在大多數(shù)系統(tǒng)中，地址通道的帶寬要求沒有數(shù)據(jù)通道高，因此可以使用共享地址總線，多數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)來對系統(tǒng)性能和互聯(lián)復(fù)雜度進行平衡。

寄存器片（Register Slices）：

每個AXI通道使用單一方向傳輸信息，并且各個通道直接沒有任何固定關(guān)系。因此可以可以在任何通道任何點插入寄存器片，當然這會導(dǎo)致額外的周期延遲。

使用寄存器片可以實現(xiàn)周期延遲（cycles of latency）和最大操作頻率的折中；使用寄存器片可以分割低速外設(shè)的長路徑。

4.2 信號描述
表 4-4 全局信號

表 4-5 寫地址通道信號

表 4-6 寫數(shù)據(jù)通道信號

表 4-7 寫響應(yīng)通道信號

表 4-8 讀地址通道信號

表 4-9 讀數(shù)據(jù)通道信號

表 4-10 低功耗接口信號

4.3 信號接口要求
4.3.1時鐘復(fù)位
時鐘：

每個AXI組件使用一個時鐘信號ACLK，所有輸入信號在ACLK上升沿采樣，所有輸出信號必須在ACLK上升沿后發(fā)生。

復(fù)位：

AXI使用一個低電平有效的復(fù)位信號ARESETn，復(fù)位信號可以異步斷言，但必須和時鐘上升沿同步去斷言。

復(fù)位期間對接口有如下要求：①主機接口必須驅(qū)動ARVALID，AWVALID，WVALID為低電平；②從機接口必須驅(qū)動RVALID，BVALID為低電平；③所有其他信號可以被驅(qū)動到任意值。

在復(fù)位后，主機可以在時鐘上升沿驅(qū)動ARVALID，AWVALID，WVALID為高電平。

4.3.2基本讀寫傳輸
握手過程

5個傳輸通道均使用VALID/READY信號對傳輸過程的地址、數(shù)據(jù)、控制信號進行握手。使用雙向握手機制，傳輸僅僅發(fā)生在VALID、READY同時有效的時候。下圖是幾種握手機制：

圖 4-11 VALID before READY 握手

圖 4-12 READY before VALID 握手

圖 4-13 VALID with READY 握手

4.3.3 通道信號要求
通道握手信號：每個通道有自己的xVALID/xREADY握手信號對。

寫地址通道：當主機驅(qū)動有效的地址和控制信號時，主機可以斷言AWVALID，一旦斷言，需要保持AWVALID的斷言狀態(tài)，直到時鐘上升沿采樣到從機的AWREADY。AWREADY默認值可高可低，推薦為高（如果為低，一次傳輸至少需要兩個周期，一個用來斷言AWVALID，一個用來斷言AWREADY）；當AWREADY為高時，從機必須能夠接受提供給它的有效地址。

寫數(shù)據(jù)通道：在寫突發(fā)傳輸過程中，主機只能在它提供有效的寫數(shù)據(jù)時斷言WVALID，一旦斷言，需要保持斷言狀態(tài)，知道時鐘上升沿采樣到從機的WREADY。WREADY默認值可以為高，這要求從機總能夠在單個周期內(nèi)接受寫數(shù)據(jù)。主機在驅(qū)動最后一次寫突發(fā)傳輸是需要斷言WLAST信號。

寫響應(yīng)通道：從機只能它在驅(qū)動有效的寫響應(yīng)時斷言BVALID，一旦斷言需要保持，直到時鐘上升沿采樣到主機的BREADY信號。當主機總能在一個周期內(nèi)接受寫響應(yīng)信號時，可以將BREADY的默認值設(shè)為高。

讀地址通道：當主機驅(qū)動有效的地址和控制信號時，主機可以斷言ARVALID，一旦斷言，需要保持ARVALID的斷言狀態(tài)，直到時鐘上升沿采樣到從機的ARREADY。ARREADY默認值可高可低，推薦為高（如果為低，一次傳輸至少需要兩個周期，一個用來斷言ARVALID，一個用來斷言ARREADY）；當ARREADY為高時，從機必須能夠接受提供給它的有效地址。

讀數(shù)據(jù)通道：只有當從機驅(qū)動有效的讀數(shù)據(jù)時從機才可以斷言RVALID，一旦斷言需要保持直到時鐘上升沿采樣到主機的BREADY。BREADY默認值可以為高，此時需要主機任何時候一旦開始讀傳輸就能立馬接受讀數(shù)據(jù)。當最后一次突發(fā)讀傳輸時，從機需要斷言RLAST。

4.3.4 通道間關(guān)系
AXI協(xié)議要求通道間滿足如下關(guān)系：

寫響應(yīng)必須跟隨最后一次burst的的寫傳輸
讀數(shù)據(jù)必須跟隨數(shù)據(jù)對應(yīng)的地址
通道握手信號需要確認一些依耐關(guān)系
通道握手信號的依耐關(guān)系