[AXIS] AXI4-Stream Infrastructure RTL

AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 详细介绍

概述

AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 属于 AXI4-Stream Infrastructure IP Suite的一部分。与套件中的其他参数化 IP 核不同，AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 是一个基于 RTL（寄存器传输级）实现的固定功能模块，旨在为 AXI4-Stream 数据流提供基础的信号处理功能。它主要用于在 AXI4-Stream 数据路径中执行简单的信号连接、缓冲或协议调整任务，适用于需要高度定制化或轻量级实现的场景。

该 IP 核以 Verilog 或 VHDL 源码形式提供，允许用户直接访问和修改 RTL 代码，从而实现更高的灵活性和优化空间。它广泛应用于 FPGA 和 SoC 系统设计，特别是在视频处理、信号处理、网络数据包处理和硬件加速器集成等领域，适用于需要最小资源占用或特定协议调整的场景。

该 IP 核的主要功能包括：

• 信号传递：实现 AXI4-Stream 信号的直接传递或轻量级处理。
• 协议调整：支持信号子集的添加、删除或重新映射。
• 低资源占用：RTL 实现针对最小化 LUT 和 FF 占用优化。
• 可定制性：提供源码，允许用户根据需求修改功能。

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主要特性

AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 具有以下关键特性：

1. AXI4-Stream 协议兼容性：

   • 完全符合 AXI4-Stream 协议规范（参考 UG761），支持标准信号：TVALID、TREADY、TDATA、TSTRB、TKEEP、TLAST、TID、TDEST 和 TUSER。
   • 支持可选信号配置，用户可通过 RTL 代码或 Vivado 配置启用/禁用信号。
   • 支持可编程的信号宽度：
     • TDATA：8-512 位（1-64 字节）。
     • TUSER：1-128 位。
     • TID 和 TDEST：1-32 位。

2. RTL 实现：

   • 以 Verilog 或 VHDL 源码形式提供，允许用户直接访问和修改。
   • 针对最小资源占用优化，通常采用组合逻辑或单级寄存器设计。
   • 提供示例 RTL 模板，涵盖常见功能如信号直通、信号丢弃或信号重新映射。

3. 低延迟设计：

   • 通常为组合逻辑实现，延迟为 0 时钟周期（无寄存器管道）。
   • 可选单级寄存器管道，增加 1 时钟周期延迟以优化时序。
   • 支持背靠背传输，最大吞吐量接近时钟频率。

4. 信号处理功能：

   • 信号直通：将输入信号直接传递到输出，保持协议一致性。
   • 信号丢弃：丢弃不需要的信号（如 TSTRB、TKEEP），简化下游接口。
   • 信号添加：为输出添加默认信号值（如 TLAST=0、TID=0）。
   • 信号重新映射：调整 TDATA 或 TUSER 的位分配。

5. 时钟与复位：

   • 支持单一时钟域（ACLK），输入和输出接口共享同一时钟。
   • 提供低电平有效复位信号（ARESETn），同步到 ACLK。
   • 可选的时钟使能信号（ACLKEN），用于精细化时钟控制。

6. 工具与设备支持：

   • 设计工具：Vivado Design Suite、ISE Design Suite。
   • 支持设备：Artix-7、Kintex-7、Kintex UltraScale、Kintex UltraScale+、Virtex-7、Virtex UltraScale、Virtex UltraScale+、Zynq-7000、Zynq UltraScale+ MPSoC。

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功能模块

AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 的核心功能是提供轻量级的 AXI4-Stream 信号处理，具体功能取决于用户选择的 RTL 配置或定制。以下是其主要功能模块：

1. 信号直通

• 功能：将输入 AXI4-Stream 信号（TVALID、TREADY、TDATA 等）直接传递到输出接口。
• 机制：使用组合逻辑或单级寄存器实现，保持信号完整性。
• 应用：作为简单的信号连接器，用于接口对齐或协议验证。

2. 信号丢弃

• 功能：丢弃不需要的 AXI4-Stream 信号（如 TSTRB、TKEEP、TUSER），仅传递核心信号（如 TDATA、TLAST）。
• 机制：在 RTL 中将不需要的信号置为未连接或默认值。
• 应用：简化下游模块的接口，减少资源占用。

3. 信号添加

• 功能：为输出接口添加缺失的 AXI4-Stream 信号，例如将 TLAST 设置为默认值（0 或 1）或生成固定的 TID/TDEST。
• 机制：通过 RTL 逻辑为输出信号分配常量或计算值。
• 应用：适配不完整的 AXI4-Stream 输入流，确保协议兼容性。

4. 信号重新映射

• 功能：调整 TDATA 或 TUSER 信号的位分配，例如重新组织字节顺序或提取特定位。
• 机制：通过 RTL 中的位拼接或位选择逻辑实现。
• 应用：数据格式调整，如视频流通道重排或信号处理中的数据重组。

5. 背压管理

• 功能：通过 TVALID 和 TREADY 信号实现 AXI4-Stream 协议的握手机制。
• 机制：输入 TREADY 由输出 TREADY 和内部逻辑决定，确保数据流同步。
• 注意：由于无 FIFO 缓冲，背压直接传递，需确保下游设备及时响应。

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接口说明

以下是 AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 的主要接口及其功能：

1. 输入接口（S00_AXIS）：

   • 类型：AXI4-Stream 主接口。
   • 信号：
     • S00_AXIS_TVALID：输入数据有效信号。
     • S00_AXIS_TREADY：输入接口准备好信号。
     • S00_AXIS_TDATA：输入数据，宽度可配置（8-512 位）。
     • S00_AXIS_TSTRB、TKEEP：字节选通信号，宽度为 TDATA 的 1/8。
     • S00_AXIS_TLAST：数据流结束信号。
     • S00_AXIS_TID、TDEST：流标识和目标标识信号。
     • S00_AXIS_TUSER：用户定义信号，宽度可配置（1-128 位）。
   • 功能：接收来自上游 AXI4-Stream 从设备的数据流。

2. 输出接口（M00_AXIS）：

   • 类型：AXI4-Stream 从接口。
   • 信号：与输入接口类似，包括 M00_AXIS_TVALID、TREADY、TDATA、TSTRB、TKEEP、TLAST、TID、TDEST 和 TUSER。
   • 功能：将处理后的数据流发送到下游 AXI4-Stream 主设备。

3. 时钟与复位接口：

   • ACLK：全局时钟信号，输入和输出接口共享同一时钟域。
   • ARESETn：全局低电平有效复位信号，同步到 ACLK。
   • ACLKEN（可选）：时钟使能信号，用于控制数据传输的时序。

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配置方法

1. 在 Vivado 中添加 IP

• 打开 Vivado 的 Block Design，右键选择 Add IP。
• 搜索 AXI4-Stream Infrastructure RTL，将其拖入设计。
• 双击 IP 核，打开定制化对话框，配置以下参数：
  • 信号使能：选择需要传递或处理的信号（如 TSTRB、TKEEP、TLAST、TID、TDEST、TUSER）。
  • TDATA 宽度：设置输入和输出 TDATA 宽度（8-512 位）。
  • TUSER 宽度：设置 TUSER 宽度（1-128 位，可选）。
  • TID/TDEST 宽度：设置流标识和目标标识宽度（1-32 位，可选）。
  • 功能模式：选择信号直通、丢弃、添加或重新映射（部分功能需修改 RTL）。
  • 寄存器管道：启用或禁用单级寄存器管道（默认禁用）。
  • 时钟使能：启用或禁用 ACLKEN。

2. RTL 定制

• 打开 IP 核生成的 Verilog/VHDL 文件（位于 Vivado 项目目录的 IP 实例化文件夹）。
• 根据需求修改 RTL 代码，例如：
  • 添加自定义信号处理逻辑（如 TUSER 位重排）。
  • 实现特定的 TLAST 生成规则。
  • 优化组合逻辑以减少资源占用。
• 使用 Vivado 的 RTL 分析工具验证修改后的代码，确保协议兼容性。

3. 连接与验证

• 将输入接口（S00_AXIS）连接到上游 AXI4-Stream 从设备。
• 将输出接口（M00_AXIS）连接到下游 AXI4-Stream 主设备。
• 分配时钟（ACLK）和复位（ARESETn）信号。
• 使用 Vivado 仿真工具验证数据流，检查 TVALID、TREADY、TLAST 和其他信号的时序。
• 若修改了 RTL，需特别验证自定义逻辑的正确性。

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资源利用情况

AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 的资源占用极低，主要取决于配置参数和是否启用寄存器管道。以下是典型资源利用情况（基于 Vivado 生成数据）：

• 设备系列：Artix-7、Kintex-7、Zynq-7000 等。
• 资源类型：
  • LUT（查找表）：组合逻辑实现，典型值为 10-100。
  • FF（触发器）：仅在启用寄存器管道时使用，典型值为 0-100。
  • BRAM：不使用。
  • DSP 切片：不使用。
• 配置示例：
  • 32 位 TDATA、信号直通、无寄存器管道：约 10 LUT、0 FF、无 BRAM。
  • 64 位 TDATA、信号重新映射、启用寄存器管道：约 50 LUT、64 FF、无 BRAM。
  • 128 位 TDATA、信号丢弃：约 20 LUT、0 FF、无 BRAM。

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应用场景

AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 适用于以下场景：

1. 轻量级信号处理：

   • 实现简单的 AXI4-Stream 信号直通或调整，减少资源占用。
   • 适用于资源受限的低端 FPGA（如 Artix-7）。

2. 协议调整：

   • 丢弃不需要的信号（如 TSTRB、TKEEP）或添加默认信号（如 TLAST）。
   • 适配不完整的 AXI4-Stream 数据流，确保下游模块兼容性。

3. 数据格式转换：

   • 重新映射 TDATA 或 TUSER 的位分配，例如调整视频流通道顺序或信号数据结构。
   • 适用于信号处理或视频处理中的数据重组。

4. 定制化设计：

   • 通过修改 RTL 实现特定功能，如自定义 TLAST 生成逻辑或信号过滤。
   • 适用于需要高度定制化的应用场景。

5. 调试与验证：

   • 作为信号直通模块，用于监控 AXI4-Stream 数据流。
   • 通过 RTL 修改添加调试信号，便于系统分析。

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注意事项

1. 协议一致性：

   • 确保 RTL 修改后仍符合 AXI4-Stream 协议（TVALID 和 TREADY 握手机制必须正确）。
   • 验证 TLAST、TID 和 TDEST 信号的正确传递，避免数据包边界错误。

2. 资源优化：

   • RTL 实现默认优化为最小资源占用，修改时需注意不要引入过多组合逻辑或触发器。
   • 使用 Vivado 的资源分析工具监控修改后的资源占用。

3. 时钟域限制：

   • 该 IP 核仅支持单一时钟域（ACLK），如需跨时钟域传输，需配合 AXI4-Stream Clock Converter IP 使用。
   • 启用寄存器管道可改善时序，但会增加 1 时钟周期延迟。

4. 背压管理：

   • 由于无 FIFO 缓冲，背压直接传递，需确保下游设备的 TREADY 信号及时响应。
   • 若需要缓冲功能，建议配合 AXI4-Stream Data FIFO IP 使用。

5. RTL 修改验证：

   • 修改 RTL 后，需通过仿真验证功能正确性，特别是自定义信号处理逻辑。
   • 使用 Vivado 的 AXI4-Stream Verification IP进行协议合规性测试。

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总结

AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 是一款轻量级且高度可定制的 AXI4-Stream 基础设施 IP 核，以 RTL 源码形式提供，支持信号直通、丢弃、添加和重新映射等功能。其最小资源占用、低延迟设计和灵活的 RTL 修改能力，使其在资源受限、协议调整或定制化设计场景中具有独特优势，广泛应用于视频处理、信号处理、网络数据包处理和 SoC 集成等领域。

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