AXI总线学习

AXI（Advanced eXtensible Interface）是一种总协议，该协议是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）3.0协议中最重要的部分，是一种面向高性能、高带宽、低延迟的片内总线。它的地址/控制和数据相位是分离的，支持不对齐的数据传输，同时在突发传输中，只需要首地址，同时分离的读写数据通道、并支持显著传输访问和乱序访问，并更加容易并行时序收敛。AXI是AMBA 中一个新的高性能协议。AXI 技术丰富了现有的AMBA 标准内容，满足超高性能和复杂的片上系统（SoC）设计的需求。

 

AXI 有读地址和控制、读数据、写地址和控制、写数据、写响应5个通道。

控制和数据通道分离，可以带来很多好处。地址和控制信息相对数据的相位独立，可以先发地址，然后再是数据，这样自然而然的支持显著操作，也就是outstanding操作。Master访问slave的时候，可以不等需要的操作完成，就发出下一个操作。这样，可以让slave在控制流的处理上流水起来，达到提速的作用。同时对于master，也许需要对不同的地址和slave就行访问，所以可以对不同的slave 连续操作。而这样的操作，由于slave返回数据的先后可能不按照master 发出控制的先后进行，导致出现了乱序操作（out of order ）。

 

AXI的性能

AXI 能够使SoC 以更小的面积、更低的功耗，获得更加优异的性能。AXI获得如此优异性能的一个主要原因，就是它的单向通道体系结构。单向通道体系结构使得片上的信息流只以单方向传输，减少了延时。　　

选择采用何种总线，我们要评估到底怎样的总线频率才能满足我们的需求，而同时不会消耗过多的功耗和片上面积。ARM一直致力于以最低的成本和功耗追求更高的性能。这一努力已经通过连续一代又一代处理器内核的发布得到了实现，每一代新的处理器内核都会引入新的流水线设计、新的指令集以及新的高速缓存结构。这促成了众多创新移动产品的诞生，并且推动了ARM架构向性能、功耗以及成本之间的完美平衡发展。　　

AXI总线是一种多通道传输总线，将地址、读数据、写数据、握手信号在不同的通道中发送，不同的访问之间顺序可以打乱，用BUSID来表示各个访问的归属。主设备在没有得到返回数据的情况下可发出多个读写操作。读回的数据顺序可以被打乱，同时还支持非对齐数据访问。　　

AXI总线还定义了在进出低功耗节电模式前后的握手协议。规定如何通知进入低功耗模式，何时关断时钟，何时开启时钟，如何退出低功耗模式。这使得所有IP在进行功耗控制的设计时，有据可依，容易集成在统一的系统中。

 

 

AXI的特点

　　单向通道体系结构。信息流只以单方向传输，简化时钟域间的桥接，减少门数量。当信号经过复杂的片上系统时，减少延时。 　　

支持多项数据交换。通过并行执行猝发操作，极大地提高了数据吞吐能力，可在更短的时间内完成任务，在满足高性能要求的同时，又减少了功耗。　　

独立的地址和数据通道。地址和数据通道分开，能对每一个通道进行单独优化，可以根据需要控制时序通道，将时钟频率提到最高，并将延时降到最低。　　

增强的灵活性。AXI技术拥有对称的主从接口，无论在点对点或在多层系统中，都能十分方便地使用AXI技术。

 

 

AXI4的工作模式

握手机制

AXI4所采用的是一种READY，VALID握手通信机制，即主从模块进行数据通信前，新根据操作对各所用到的数据、地址通道进行握手。主要操作包括传输发送者A等到传输接受者B的READY信号后，A将数据与VALID信号同时发送给B。如下图所示：

axi总线的五个通道：

• 读地址通道，包含ARVALID, ARADDR, ARREADY信号；
• 写地址通道，包含AWVALID，AWADDR, AWREADY信号；
• 读数据通道，包含RVALID, RDATA, RREADY, RRESP信号；
• 写数据通道，包含WVALID, WDATA，WSTRB, WREADY信号；
• 写应答通道，包含BVALID, BRESP, BREADY信号；
• 系统通道，包含：ACLK，ARESETN信号；

其中ACLK为axi总线时钟，ARESETN是axi总线复位信号，低电平有效；读写数据与读写地址类信号宽度都为32bit；READY与VALID是对应的通道握手信号；WSTRB信号为1的bit对应WDATA有效数据字节，WSTRB宽度是32bit/8=4bit；BRESP与RRESP分别为写回应信号，读回应信号，宽度都为2bit，‘h0代表成功，其他为错误。

A.读操作：

顺序为主与从进行读地址通道握手并传输地址内容，然后在读数据通道握手并传输所读内容以及读取操作的回应，时钟上升沿有效。如图所示：

B.写操作：

顺序为主与从进行写地址通道握手并传输地址内容，然后在写数据通道握手并传输所读内容，最后再写回应通道握手，并传输写回应数据，时钟上升沿有效。如图所示：

axis分为：

• tready信号：从告诉主做好传输准备；
• tvalid信号：主告诉从数据传输有效；
• tlast信号：主告诉从该次传输为突发传输结尾；
• tdata信号：数据，可选宽度32,64,128,256bit
• tstrb信号：为1的bit为对应tdata有效字节，宽度为tdata/8
• tuser信号 ：用户定义信号，宽度为128bit
• aclk信号：总线时钟，上升沿有效；
• aresetn信号：总线复位，低电平有效；

通信时序如图所示：

axi与axis是AXI4总线中通信复杂度较低的两条总线，最大开发难度存在于axi的控制平面向axis的数据平面下发参数时，由于axi与axis时钟频率不同而产生的跨时钟域数据传输问题。

 

 

AXI4：主要面向高性能地址映射通信的需求；

AXI4-Lite：是一个简单地吞吐量地址映射性通信总线；

AXI4-Stream：面向高速流数据传输；

AXI4总线分为主、从两端，两者间可以连续的进行通信。

ISE从12.3版本，Virtex6，Spartan6芯片开始对AXI4总线提供支持，并且随着Xilinx与ARM的合作面逐渐展开而得到大力推广。

 

AXI4的优势

1.通过统一的AXI接口，开发者为开发ip core只需要学习一种协议即可；

2.AXI4是面向地址映射的接口，允许最大256轮的数据突发传输；

3.AXI4-Lite是一个轻量级的地址映射单次传输接口，占用很少的逻辑单元；

4.AXI4-Stream去掉了地址项，允许无限制的数据突发传输规模；