AXI接口协议学习总结

AXI接口协议学习总结

下面将AXI接口协议学到的相关内容整理如下

一、AXI接口协议定义

AXI是Advanced eXtensible Interface的缩写，译为高级可扩展接口协议，是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）高级微控制器总线架构的一部分，是一种高性能、低时延、高带宽的芯片内部多主机与多从机互连总线，可以用来替代APB和AHB总线，2003年发布了AXI第一版即AXI3.0（称为AXI3），2010年发布了AXI第二版即AXI4.0（称为AXI4）。

二、AXI接口协议特点

1、地址信号、地址控制信号、数据信号、数据控制信号相互对立；
2、只需要传输首地址；
3、向下兼容AHB和APB；
4、地址信号与数据信号分离，满足低时延；
5、使用字节选通，支持非对齐的数据传输。

三、三种AXI接口协议

AXI以下有三种接口协议，满足不同的使用需求
1、AXI4：属于存储器映射（通过地址访问数据）协议，主要用于高速数据传输，例如处理器/FPGA等主设备访问DDR等从设备。相当于原来的AHB接口协议。
2、AXI-Lite：是AXI4的简化版，单次仅能读写1个数据，类似原来处理器通过EMIF读写FPGA寄存器，主要用于寄存器的配置。相当于原来的APB接口协议。
3、AXI-stream：与上面两种存储器映射方式不同，数据传输不需要地址，主从设备之间直接连续读写数据，主要用于视频、高速AD、PCIe、DMA接口等需要高速数据传输场景，与FIFO类似。

四、AXI接口通道

（一）AXI接口通道总体分类

AXI接口通道可以总体分为读通道和写通道。
1、读通道又包括：读地址通道和读数据通道，读取数据过程如下图所示。

其中:
1）、读地址通道：不仅包括读数据的地址，还可以携带控制消息，用于描述被传输的数据属性。
2）、读数据通道：读数据和读响应信号包括数据总线（8/16/32/64/128/256/512/1024 bit）和指示读传输完成的读响应信号。

2、写通道又包括：写地址通道、写数据通道，写数据反馈，写数据过程如下图所示。

其中：
1）、写地址通道：同上，不仅包括写数据的地址，还可以携带控制消息，用于描述被传输的数据属性。
2）、写数据通道：包括数据总线（8/16…1024 bit）和字节线（用于指示8 bit 数据信号的有效性）。
3）、写响应通道：slave使用写响应通道对写传输进行响应。

（二）AXI接口握手信号

以上提到读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道，写数据反馈通道这5个通道，都有独立的VALID/READY信号，实现握手机制，发送端和接收端都可以实现流控，发送端使用VALID表明地址/控制信号、数据是有效的，接收端使用READY表明自己能够接收信息。
注意：主设备和从设备可以是发送或接收。

（三）多主机、多从机互连

AXI严格来讲应该是主机与从机点对点的接口协议，但是通过xilinx提供的Interconnect IP核可以实现多主机与多从机的互连，即AXI互联矩阵，作用是提供将一个或多个AXI主设备连接到一个或多个AXI从设备的一种交换机制，类似于交换机的交换矩阵。
AXI可以提供三种接口之间互连：
1、master/interconnect；
2、slave/interconnect；
3、master/slave。
地址及数据总线共享方式有三种：
1、共享地址与数据总线；
2、共享地址总线，多数据总线；
3、multilayer多层，多地址总线，多数据总线。
在大多数系统中，地址通道的带宽要求没有数据通道高，因此可以使用共享地址总线，多数据总线结构来对系统性能和互联复杂度进行平衡。
拓扑结构如下图所示：

五、AXI接口信号说明

（一）全局信号

1、ACLK：全局时钟信号
2、ARESTn：全局复位信号

（二）读地址信号

1、ARID：读地址ID，M->S；
2、ARADDR：读地址，M->S；
3、ARLEN：突发长度，M->S；（读取的个数）
4、ARSIZE：突发尺寸，M->S；（每次突发传输的字节数）
5、ARBURST：突发类型，M->S；（有FIXED,INCR,WRAP三种类型，其中FIXED为固定地址，循环读取相同位置的数据；INCR为地址自增方式，依次读取数据；WRAP回环突发和增量突发类似，但会在特定高地址的边界处回到低地址处。回环突发的长度只能是2,4,8,16次传输，传输首地址和每次传输的大小对齐。最低的地址整个传输的数据大小对齐）
6、ARCACHE：存储类型，M->S；
7、ARPROT：保护类型，M->S；
8、ARQOS：Qos标识符，M->S；
9、ARREGION：区域标识符，M->S；
10、ARUSER：用户自定义，M->S；
11、ARVALID：读地址有效，M->S；（表示ARADDR总线上地址有效）
12、ARREADY：写有效信号，S->M；（表示从机已经准备好接收ARADDR总线的地址了）

（三）读数据信号

1、RID：读数据ID，S->M；
2、RDATA：读数据，S->M；
3、RRESP：读响应，S->M；
（读传输的响应信息是附加在读数据通道上的，写传输的响应在写响应通道）
4、RLAST：突发传输的最后一个，S->M；
5、RUSER：用户自定义，S->M；
6、RVALID：读数据有效，S->M；
7、RREADY：读数据有效信号，M->S；（表示主机已经准备好接收读取数据了）

（四）写地址信号

1、AWID：写地址ID，M->S；（用于区分该地址属于哪个写地址组）
2、AWADDR：写地址，M->S；
3、AWLEN：突发长度，M->S；（写入的个数）
4、AWSIZE：突发尺寸，M->S；（每次突发传输的最长字节数）
5、AWBURST：突发类型，M->S；（有FIXED,INCR,WRAP三种类型，其中FIXED为固定地址，循环写入相同位置的数据；INCR为地址自增方式，依次写入数据；WRAP回环突发和增量突发类似，但会在特定高地址的边界处回到低地址处。回环突发的长度只能是2,4,8,16次传输，传输首地址和每次传输的大小对齐。最低的地址整个传输的数据大小对齐）
6、AWCACHE：存储类型，M->S；（标记系统需要的传输类型）
7、AWPROT：保护模式，M->S；
8、AWQOS：Qos标识符，M->S；
9、AWREGION：区域标识符，M->S；(当slave有多种逻辑接口时标识使用的逻辑接口)
10、AWUSER：用户自定义，M->S；
11、AWVALID：读地址有效，M->S；（表示AWADDR总线上地址有效）
12、AWREADY：写有效信号，S->M；（表示从机已经准备好接收AWADDR总线的地址了）

（五）写数据信号

1、WDATA：写数据，M->S；
2、WSTRB：数据段有效，M->S；（标记写数据哪几个字节有效）
3、WLAST：突发传输的最后一个，M->S；
4、WUSER：用户自定义，M->S；
5、WVALID：写数据有效，M->S；（表示WDATA总线上的数据已经有效了）
6、WREADY：写数据有效信号，M->S；（表示从机已经准备好接收写入的数据）

（六）写响应信号

1、BID：响应ID，S->M；
2、BRESP：写响应，S->M；
3、BUSER：用户自定义，S->M；
4、BVALID：写响应有效，S->M；
5、BREADY：写响应有效信号，M->S；（表示主机已经准备好接收写响应信号了）

六、AXI接口时序

（一）时钟、复位与VALID信号

AXI的复位信号（ARESETn）可以进行异步复位，但是复位完必须与ACLK的上升沿同步。在复位过程中，要求：
1、主机接口必须驱动ARVALID、AWVALID、和WVALID为低电平。
2、从机接口必须驱动RVALID和BVALD 为低电平。
3、所有其他信号可以为任何值。
4、在完成复位后，允许master驱动ARVALID，、AWVALID、WVALID为高。但是上升沿信号是在ARESETn是拉高之后而且要在ACLK上升沿。如下图：

（二）AWVALID信号与地址/控制信息

写地址通道的主机可以在地址/控制信息有效时拉高 AWVALID，当AWVALID拉高后要保持地址/控制信息不变，直到AWREADY也拉高并且时钟产生上升沿之后。换句话说，在握手传输的时，我们的数据信息和地址信息要保持不变，这样才能确保传输的数据为有效可靠的。也就是AWVALID和信息数据是同步变化的，如下图。

（三）AWREADY信号与地址/控制信息

AWREADY的默认状态可以是高或者低。AXI协议建议的默认状态为高。当AWREADY为高时，从机能够接受任何提供给它的有效地址。不建议默认AWREADY状态为低，因为它强制进行握手传输，至少需要两个时钟周期，一个周期拉高AWVALID，另一个周期拉高AWREADY。

（四）信号依赖关系

首先，单箭头表示可以等待有效再置位，双重箭头表示必须等待有效再置位。
下图为读操作的依赖关系，ARREADY可以等待ARVALID信号，RVALID必须等待ARVALID和ARREADY同时有效后（一次地址传输发生）才能能有效

在AXI4中，定义了额外的依赖关系，即BVALID必须依赖AWVALID、AWREADY、WVALID和WREADY信号，如下图所示。