[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。

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:TVALIDTREADYTDATATSTRBTKEEPTLASTTIDTDESTTUSER
    • 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。
      • TIDTDEST: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 TSTRBTKEEP),简化下游接口。
    • 信号添加:为输出添加默认信号值(如 TLAST=0TID=0)。
    • 信号重新映射:调整 TDATATUSER 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。

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(TVALIDTREADYTDATA 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 TSTRBTKEEPTUSER),仅传递核心信号(如 TDATATLAST)。
  • 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 TDATATUSER 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 TVALIDTREADY 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:

  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_TSTRBTKEEP: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_TIDTDEST: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_TVALIDTREADYTDATATSTRBTKEEPTLASTTIDTDESTTUSER
    • 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。

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 TSTRBTKEEPTLASTTIDTDESTTUSER)。
    • 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 TVALIDTREADYTLAST 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:

  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 TSTRBTKEEP)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 TDATATUSER 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。

注意事项

  1. 协议一致性

    • 确保 RTL 修改后仍符合 AXI4-Stream 协议(TVALIDTREADY 握手机制必须正确)。
    • 验证 TLASTTIDTDEST 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。

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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