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。
主要特性
AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 具有以下关键特性:
-
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。
- 完全符合 AXI4-Stream 协议规范(参考 UG761),支持标准信号:
-
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。
-
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。
-
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。
-
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。
- 支持单一时钟域(
-
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。
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。
接口说明
以下是 AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 的主要接口及其功能:
-
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。
-
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。
-
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。
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
。
- 信号使能:选择需要传递或处理的信号(如
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。
- 添加自定义信号处理逻辑(如
- 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。
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。
应用场景
AXI4-Stream Infrastructure RTL IP 适用于以下场景:
-
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)。
-
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。
- 丢弃不需要的信号(如
-
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。
- 重新映射
-
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。
- 通过修改 RTL 实现特定功能,如自定义
-
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。
注意事项
-
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。
- 确保 RTL 修改后仍符合 AXI4-Stream 协议(
-
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。
-
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。
- 该 IP 核仅支持单一时钟域(
-
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。
- 由于无 FIFO 缓冲,背压直接传递,需确保下游设备的
-
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。
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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