新一代FPGA中采用的基本都是AXI4總線協(xié)議，例如與slaver側(cè)的DMA或DDR等通信。這篇講AXI4的文章感覺講的很清楚。

0.緒論AXI是高級擴(kuò)展接口，在AMBA3.0中提出，AMBA4.0將其修改升級為AXI4.0。AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-stream

AXI4.0-lite是AXI的簡化版本，ACE4.0 是AXI緩存一致性擴(kuò)展接口，AXI4.0-stream是ARM公司和Xilinx公司一起提出，主要用在FPGA進(jìn)行以數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的大量數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)用。

1.簡介

1.1 關(guān)于AXI協(xié)議

AMBA AXI協(xié)議支持支持高性能、高頻率系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵特點(diǎn)：

• 適合高帶寬低延時設(shè)計

• 無需復(fù)雜的橋就能實(shí)現(xiàn)高頻操作

• 能滿足大部分器件的接口要求

• 適合高初始延時的存儲控制器

• 提供互聯(lián)架構(gòu)的靈活性與獨(dú)立性

• 向下兼容已有的AHB和APB接口

• 分離的地址/控制、數(shù)據(jù)相位

• 使用字節(jié)線來支持非對齊的數(shù)據(jù)傳輸

• 使用基于burst的傳輸，只需傳輸首地址

• 分離的讀、寫數(shù)據(jù)通道，能提供低功耗DMA

• 支持多種尋址方式

• 支持亂序傳輸

• 允許容易的添加寄存器級來進(jìn)行時序收斂

1.2 AXI架構(gòu)

AXI協(xié)議是基于burst的傳輸，并且定義了以下5個獨(dú)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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從“從”到“主”的傳輸。

圖 1-1 讀架構(gòu)

圖 1-2 寫架構(gòu)

AXI是基于VALID/READY的握手機(jī)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?/span>

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(rèn)為是緩沖（buffered）了的，“主”無需等待“從”對上次寫傳輸?shù)拇_認(rèn)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(jìn)行響應(yīng)。所有的寫傳輸需要寫響應(yīng)通道的完成信號。

圖 1-3 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?fù)浼軜?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(jìn)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(diǎn)插入寄存器片，當(dāng)然這會導(dǎo)致額外的周期延遲。

使用寄存器片可以實(shí)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。

2.信號描述

表 2-1 全局信號

表 2-2 寫地址通道信號

表 2-3 寫數(shù)據(jù)通道信號

表 2-4 寫響應(yīng)通道信號

表 2-5 讀地址通道信號

表 2-6 讀數(shù)據(jù)通道信號

表 2-7 低功耗接口信號

3.信號接口要求

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(jī)接口必須驅(qū)動ARVALID，AWVALID，WVALID為低電平；②從機(jī)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(jī)可以在時鐘上升沿驅(qū)動ARVALID，AWVALID，WVALID為高電平。

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(jìn)行握手。使用雙向握手機(jī)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(jī)制：

圖 3-1 VALID before READY 握手

圖 3-2 READY before VALID 握手

圖 3-3 VALID with READY 握手

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(dāng)主機(jī)驅(qū)動有效的地址和控制信號時，主機(jī)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(jī)的AWREADY。AWREADY默認(rèn)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(dāng)AWREADY為高時，從機(jī)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(jī)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?jǐn)嘌誀顟B(tài)，知道時鐘上升沿采樣到從機(jī)的WREADY。WREADY默認(rèn)值可以為高，這要求從機(jī)總能夠在單個周期內(nèi)接受寫數(shù)據(jù)。主機(jī)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(jī)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(jī)的BREADY信號。當(dāng)主機(jī)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(rèn)值設(shè)為高。

讀地址通道：當(dāng)主機(jī)驅(qū)動有效的地址和控制信號時，主機(jī)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(jī)的ARREADY。ARREADY默認(rèn)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(dāng)ARREADY為高時，從機(jī)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(dāng)從機(jī)驅(qū)動有效的讀數(shù)據(jù)時從機(jī)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(jī)的BREADY。BREADY默認(rèn)值可以為高，此時需要主機(jī)任何時候一旦開始讀傳輸就能立馬接受讀數(shù)據(jù)。當(dāng)最后一次突發(fā)讀傳輸時，從機(jī)需要斷言RLAST。

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

通道握手信號的依耐關(guān)系

為防止死鎖，通道握手信號需要遵循一定的依耐關(guān)系。①VALID信號不能依耐READY信號。②AXI接口可以等到檢測到VALID才斷言對應(yīng)的READY，也可以檢測到VALID之前就斷言READY。下面有幾個圖表明依耐關(guān)系，單箭頭指向的信號能在箭頭起點(diǎn)信號之前或之后斷言；雙箭頭指向的信號必須在箭頭起點(diǎn)信號斷言之后斷言。

圖 3-4 讀傳輸握手依耐關(guān)系

圖 3-5 寫傳輸握手依耐關(guān)系

圖 3-6 從機(jī)寫響應(yīng)握手依耐關(guān)系

3.3傳輸結(jié)構(gòu)

地址結(jié)構(gòu)

AXI協(xié)議是基于burst的，主機(jī)只給出突發(fā)傳輸?shù)牡谝粋€字節(jié)的地址，從機(jī)必須計算突發(fā)傳輸后續(xù)的地址。突發(fā)傳輸不能跨4KB邊界（防止突發(fā)跨越兩個從機(jī)的邊界，也限制了從機(jī)所需支持的地址自增數(shù)）。

1）突發(fā)長度

ARLEN[7:0]決定讀傳輸?shù)耐话l(fā)長度，AWLEN[7:0]決定寫傳輸?shù)耐话l(fā)長度。AXI3只支持1~16次的突發(fā)傳輸（Burst_length=AxLEN[3:0]+1），AXI4擴(kuò)展突發(fā)長度支持INCR突發(fā)類型為1~256次傳輸，對于其他的傳輸類型依然保持1~16次突發(fā)傳輸（Burst_Length=AxLEN[7:0]+1）。

• burst傳輸具有如下規(guī)則：

• wraping burst ,burst長度必須是2,4,8,16

• burst不能跨4KB邊界

• 不支持提前終止burst傳輸

所有的組件都不能提前終止一次突發(fā)傳輸。然而，主機(jī)可以通過解斷言所有的寫的strobes來使非所有的寫字節(jié)來減少寫傳輸?shù)臄?shù)量。讀burst中，主機(jī)可以忽略后續(xù)的讀數(shù)據(jù)來減少讀個數(shù)。也就是說，不管怎樣，都必須完成所有的burst傳輸。

注：對于FIFO，忽略后續(xù)讀數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，必須保證突發(fā)傳輸長度和要求的數(shù)據(jù)傳輸大小匹配。

突發(fā)大小

ARSIZE[2:0],讀突發(fā)傳輸；AWSIZE[2:0],寫突發(fā)傳輸。

AxSIZE[2:0] bytes in transfer

‘b0001

‘b0012

‘b0104

‘b0118

‘b10016

‘b10132

‘b11064

‘b111128

突發(fā)類型

FIXED：突發(fā)傳輸過程中地址固定，用于FIFO訪問

INCR：增量突發(fā)，傳輸過程中，地址遞增。增加量取決AxSIZE的值。

WRAP：回環(huán)突發(fā)，和增量突發(fā)類似，但會在特定高地址的邊界處回到低地址處。回環(huán)突發(fā)的長度只能是2,4,8,16次傳輸，傳輸首地址和每次傳輸?shù)拇笮R。最低的地址整個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小對齊?；丨h(huán)邊界等于（AxSIZE*AxLEN）。

AxBURST[1:0]burst type

‘b00FIXED

‘b01INCR

‘b10WRAP

‘b11Reserved

Start_Address=AxADDR

Number_Bytes=2^AxSIZE

Burst_Length=AxLEN+1

Aligned_Addr=（INT（Start_Address/Number_Bytes))xNumber_Bytes。//INT表示向下取整。

對于INCR突發(fā)和WRAP突發(fā)但沒有到達(dá)回環(huán)邊界，地址由下述方程決定：

Address_N=Aligned_Address+(N-1)xNumber_Bytes

WRAP突發(fā)，突發(fā)邊界：

Wrap_Boundary=(INT(Start_Address/(Number_Bytes x Burst_Length)))x(Number_Bytes x Burst_Length)

數(shù)據(jù)讀寫結(jié)構(gòu)

WSTRB[n:0]對應(yīng)于對應(yīng)的寫字節(jié)，WSTRB[n]對應(yīng)WDATA[8n+7:8n]。WVALID為低時，WSTRB可以為任意值，WVALID為高時，WSTRB為高的字節(jié)線必須指示有效的數(shù)據(jù)。

窄傳輸

當(dāng)主機(jī)產(chǎn)生比它數(shù)據(jù)總線要窄的傳輸時，由地址和控制信號決定哪個字節(jié)被傳輸：

INCR和WRAP，不同的字節(jié)線決定每次burst傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，F(xiàn)IXED，每次傳輸使用相同的字節(jié)線。

下圖給出了5次突發(fā)傳輸，起始地址為0，每次傳輸為8bit，數(shù)據(jù)總線為32bit，突發(fā)類型為INCR。

圖 3-7 窄傳輸示例1

下圖給出3次突發(fā)，起始地址為4，每次傳輸32bit，數(shù)據(jù)總線為64bit。

圖 3-8 窄傳輸示例2

非對齊傳輸

AXI支持非對齊傳輸。在大于一個字節(jié)的傳輸中，第一個自己的傳輸可能是非對齊的。如32-bit數(shù)據(jù)包起始地址在0x1002，非32bit對齊。

主機(jī)可以①使用低位地址線來表示非對齊的起始地址；②提供對齊的起始地址，使用字節(jié)線來表示非對齊的起始地址。

圖 3-9 對齊非對齊傳輸示例1-32bit總線

圖 3-10 對齊非對齊傳輸示例2-64bit總線

圖 3-11 對齊的回環(huán)傳輸示例

讀寫響應(yīng)結(jié)構(gòu)

讀傳輸?shù)捻憫?yīng)信息是附加在讀數(shù)據(jù)通道上的，寫傳輸?shù)捻憫?yīng)在寫響應(yīng)通道。

RRESP[1:0],讀傳輸

BRESP[1:0],寫傳輸

OKAY(‘b00):正常訪問成功

EXOKAY(‘b01):Exclusive 訪問成功

SLVERR(‘b10):從機(jī)錯誤。表明訪問已經(jīng)成功到了從機(jī)，但從機(jī)希望返回一個錯誤的情況給主機(jī)。

DECERR(‘b11):譯碼錯誤。一般由互聯(lián)組件給出，表明沒有對應(yīng)的從機(jī)地址。