AXI总线简介

0.绪论

AXI是高级扩展接口，在AMBA3.0中提出，AMBA4.0将其修改升级为AXI4.0。AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-stream

AXI4.0-lite是AXI的简化版本，ACE4.0 是AXI缓存一致性扩展接口，AXI4.0-stream是ARM公司和Xilinx公司一起提出，主要用在FPGA进行以数据为主导的大量数据的传输应用。

1.简介

1.1 关于AXI协议

AMBA AXI协议支持支持高性能、高频率系统设计。

• 适合高带宽低延时设计
• 无需复杂的桥就能实现高频操作
• 能满足大部分器件的接口要求
• 适合高初始延时的存储控制器
• 提供互联架构的灵活性与独立性
• 向下兼容已有的AHB和APB接口

关键特点：

• 分离的地址/控制、数据相位
• 使用字节线来支持非对齐的数据传输
• 使用基于burst的传输，只需传输首地址
• 分离的读、写数据通道，能提供低功耗DMA
• 支持多种寻址方式
• 支持乱序传输
• 允许容易的添加寄存器级来进行时序收敛

1.2 AXI架构

AXI协议是基于burst的传输，并且定义了以下5个独立的传输通道：读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道、写响应通道。

地址通道携带控制消息用于描述被传输的数据属性，数据传输使用写通道来实现“主”到“从”的传输，“从”使用写响应通道来完成一次写传输；读通道用来实现数据从“从”到“主”的传输。

 

 

图 1-1 读架构

图 1-2 写架构

AXI是基于VALID/READY的握手机制数据传输协议，传输源端使用VALID表明地址/控制信号、数据是有效的，目的端使用READY表明自己能够接受信息。

读/写地址通道：读、写传输每个都有自己的地址通道，对应的地址通道承载着对应传输的地址控制信息。

读数据通道：读数据通道承载着读数据和读响应信号包括数据总线（8/16/32/64/128/256/512/1024bit）和指示读传输完成的读响应信号。

写数据通道：写数据通道的数据信息被认为是缓冲（buffered）了的，“主”无需等待“从”对上次写传输的确认即可发起一次新的写传输。写通道包括数据总线（8/16...1024bit）和字节线（用于指示8bit 数据信号的有效性）。

写响应通道：“从”使用写响应通道对写传输进行响应。所有的写传输需要写响应通道的完成信号。

图 1-3 接口与互联

AXI协议提供单一的接口定义，能用在下述三种接口之间：master/interconnect、slave/interconnect、master/slave。

可以使用以下几种典型的系统拓扑架构：

• 共享地址与数据总线
• 共享地址总线，多数据总线
• 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。

寄存器片（Register Slices）：

每个AXI通道使用单一方向传输信息，并且各个通道直接没有任何固定关系。因此可以可以在任何通道任何点插入寄存器片，当然这会导致额外的周期延迟。

使用寄存器片可以实现周期延迟（cycles of latency）和最大操作频率的折中；使用寄存器片可以分割低速外设的长路径。

2.信号描述

表 2-1 全局信号

信号名源描述ACLK　　时钟源　　全局时钟信号ARESETn　　复位源全局复位信号，低有效

表 2-2 写地址通道信号

信号名　　　　源　　　　描述　　　　　　AWID主机写地址ID，用来标志一组写信号AWADDR主机写地址，给出一次写突发传输的写地址AWLEN主机突发长度，给出突发传输的次数AWSIZE主机突发大小，给出每次突发传输的字节数AWBURST主机突发类型AWLOCK主机总线锁信号，可提供操作的原子性AWCACHE主机内存类型，表明一次传输是怎样通过系统的AWPROT主机保护类型，表明一次传输的特权级及安全等级AWQOS主机质量服务QoSAWREGION主机区域标志，能实现单一物理接口对应的多个逻辑接口AWUSER主机用户自定义信号AWVALID主机有效信号，表明此通道的地址控制信号有效AWREADY从机表明“从”可以接收地址和对应的控制信号

表 2-3 写数据通道信号

信号名　　　　源　　　　描述　　　　　　WID主机一次写传输的ID tagWDATA主机写数据WSTRB主机写数据有效的字节线，用来表明哪8bits数据是有效的WLAST主机表明此次传输是最后一个突发传输WUSER主机用户自定义信号WVALID主机写有效，表明此次写有效WREADY从机表明从机可以接收写数据

表 2-4 写响应通道信号

信号名　　　　源　　　　描述　　　　　　BID从机写响应ID tagBRESP从机写响应，表明写传输的状态BUSER从机用户自定义BVALID从机写响应有效BREADY主机表明主机能够接收写响应

表 2-5 读地址通道信号

信号名　　　　源　　　　描述　　　　　　ARID主机读地址ID，用来标志一组写信号ARADDR主机读地址，给出一次写突发传输的读地址ARLEN主机突发长度，给出突发传输的次数ARSIZE主机突发大小，给出每次突发传输的字节数ARBURST主机突发类型ARLOCK主机总线锁信号，可提供操作的原子性ARCACHE主机内存类型，表明一次传输是怎样通过系统的ARPROT主机保护类型，表明一次传输的特权级及安全等级ARQOS主机质量服务QoSARREGION主机区域标志，能实现单一物理接口对应的多个逻辑接口ARUSER主机用户自定义信号ARVALID主机有效信号，表明此通道的地址控制信号有效ARREADY从机表明“从”可以接收地址和对应的控制信号

 表 2-6 读数据通道信号

信号名　　　　源　　　　描述　　　　　　RID从机读ID tagRDATA从机读数据RRESP从机读响应，表明读传输的状态RLAST从机表明读突发的最后一次传输RUSER从机用户自定义RVALID从机表明此通道信号有效RREADY主机表明主机能够接收读数据和响应信息

表 2-7 低功耗接口信号

信号名　　　　源　　　　描述　　　　CSYSREQ时钟控制器系统退出低功耗请求，此信号从“时钟控制器”到“外设”CSYSACK外设退出低功耗状态确认CACTIVE外设外设请求时钟有效

3.信号接口要求

3.1时钟复位

时钟

每个AXI组件使用一个时钟信号ACLK，所有输入信号在ACLK上升沿采样，所有输出信号必须在ACLK上升沿后发生。

复位

AXI使用一个低电平有效的复位信号ARESETn，复位信号可以异步断言，但必须和时钟上升沿同步去断言。

复位期间对接口有如下要求：①主机接口必须驱动ARVALID，AWVALID，WVALID为低电平；②从机接口必须驱动RVALID，BVALID为低电平；③所有其他信号可以被驱动到任意值。

在复位后，主机可以在时钟上升沿驱动ARVALID，AWVALID，WVALID为高电平。

3.2基本读写传输

握手过程

5个传输通道均使用VALID/READY信号对传输过程的地址、数据、控制信号进行握手。使用双向握手机制，传输仅仅发生在VALID、READY同时有效的时候。下图是几种握手机制：

图 3-1 VALID before READY 握手

图 3-2 READY before VALID 握手

图 3-3 VALID with READY 握手

通道信号要求

通道握手信号：每个通道有自己的xVALID/xREADY握手信号对。

写地址通道：当主机驱动有效的地址和控制信号时，主机可以断言AWVALID，一旦断言，需要保持AWVALID的断言状态，直到时钟上升沿采样到从机的AWREADY。AWREADY默认值可高可低，推荐为高（如果为低，一次传输至少需要两个周期，一个用来断言AWVALID，一个用来断言AWREADY）；当AWREADY为高时，从机必须能够接受提供给它的有效地址。

写数据通道：在写突发传输过程中，主机只能在它提供有效的写数据时断言WVALID，一旦断言，需要保持断言状态，知道时钟上升沿采样到从机的WREADY。WREADY默认值可以为高，这要求从机总能够在单个周期内接受写数据。主机在驱动最后一次写突发传输是需要断言WLAST信号。

写响应通道：从机只能它在驱动有效的写响应时断言BVALID，一旦断言需要保持，直到时钟上升沿采样到主机的BREADY信号。当主机总能在一个周期内接受写响应信号时，可以将BREADY的默认值设为高。

读地址通道：当主机驱动有效的地址和控制信号时，主机可以断言ARVALID，一旦断言，需要保持ARVALID的断言状态，直到时钟上升沿采样到从机的ARREADY。ARREADY默认值可高可低，推荐为高（如果为低，一次传输至少需要两个周期，一个用来断言ARVALID，一个用来断言ARREADY）；当ARREADY为高时，从机必须能够接受提供给它的有效地址。

读数据通道：只有当从机驱动有效的读数据时从机才可以断言RVALID，一旦断言需要保持直到时钟上升沿采样到主机的BREADY。BREADY默认值可以为高，此时需要主机任何时候一旦开始读传输就能立马接受读数据。当最后一次突发读传输时，从机需要断言RLAST。

通道间关系

AXI协议要求通道间满足如下关系：

• 写响应必须跟随最后一次burst的的写传输
• 读数据必须跟随数据对应的地址
• 通道握手信号需要确认一些依耐关系

通道握手信号的依耐关系

为防止死锁，通道握手信号需要遵循一定的依耐关系。①VALID信号不能依耐READY信号。②AXI接口可以等到检测到VALID才断言对应的READY，也可以检测到VALID之前就断言READY。下面有几个图表明依耐关系，单箭头指向的信号能在箭头起点信号之前或之后断言；双箭头指向的信号必须在箭头起点信号断言之后断言。

图 3-4 读传输握手依耐关系

图 3-5 写传输握手依耐关系

图 3-6 从机写响应握手依耐关系

3.3传输结构

地址结构

AXI协议是基于burst的，主机只给出突发传输的第一个字节的地址，从机必须计算突发传输后续的地址。突发传输不能跨4KB边界（防止突发跨越两个从机的边界，也限制了从机所需支持的地址自增数）。

1）突发长度

ARLEN[7:0]决定读传输的突发长度，AWLEN[7:0]决定写传输的突发长度。AXI3只支持1~16次的突发传输（Burst_length=AxLEN[3:0]+1），AXI4扩展突发长度支持INCR突发类型为1~256次传输，对于其他的传输类型依然保持1~16次突发传输（Burst_Length=AxLEN[7:0]+1）。

burst传输具有如下规则：

• wraping burst ,burst长度必须是2,4,8,16
• burst不能跨4KB边界
• 不支持提前终止burst传输

所有的组件都不能提前终止一次突发传输。然而，主机可以通过解断言所有的写的strobes来使非所有的写字节来减少写传输的数量。读burst中，主机可以忽略后续的读数据来减少读个数。也就是说，不管怎样，都必须完成所有的burst传输。

注：对于FIFO，忽略后续读数据可能导致数据丢失，必须保证突发传输长度和要求的数据传输大小匹配。

突发大小

ARSIZE[2:0],读突发传输；AWSIZE[2:0],写突发传输。

AxSIZE[2:0]    bytes in transfer

'b000　　　　　　1

'b001　　　　　　2

'b010　　　　　　4

'b011　　　　　　8

'b100　　　　　　16

'b101　　　　　　32

'b110　　　　　　64

'b111　　　　　　128

突发类型

FIXED：突发传输过程中地址固定，用于FIFO访问

INCR：增量突发，传输过程中，地址递增。增加量取决AxSIZE的值。

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。回环边界等于（AxSIZE*AxLEN）。

AxBURST[1:0]　　　　burst type

'b00　　　　　　　　　　FIXED

'b01　　　　　　　　　　INCR

'b10　　　　　　　　　　WRAP

'b11　　　　　　　　　　Reserved

Start_Address=AxADDR

Number_Bytes=2^AxSIZE

Burst_Length=AxLEN+1

Aligned_Addr=（INT（Start_Address/Number_Bytes))xNumber_Bytes。//INT表示向下取整。

对于INCR突发和WRAP突发但没有到达回环边界，地址由下述方程决定：

Address_N=Aligned_Address+(N-1)xNumber_Bytes

WRAP突发，突发边界：

Wrap_Boundary=(INT(Start_Address/(Number_Bytes x Burst_Length)))x(Number_Bytes x Burst_Length)

 

数据读写结构

WSTRB[n:0]对应于对应的写字节，WSTRB[n]对应WDATA[8n+7:8n]。WVALID为低时，WSTRB可以为任意值，WVALID为高时，WSTRB为高的字节线必须指示有效的数据。

窄传输

当主机产生比它数据总线要窄的传输时，由地址和控制信号决定哪个字节被传输：

INCR和WRAP，不同的字节线决定每次burst传输的数据，FIXED，每次传输使用相同的字节线。

下图给出了5次突发传输，起始地址为0，每次传输为8bit，数据总线为32bit，突发类型为INCR。

图 3-7 窄传输示例1

下图给出3次突发，起始地址为4，每次传输32bit，数据总线为64bit。

图 3-8 窄传输示例2

非对齐传输

AXI支持非对齐传输。在大于一个字节的传输中，第一个自己的传输可能是非对齐的。如32-bit数据包起始地址在0x1002，非32bit对齐。

主机可以①使用低位地址线来表示非对齐的起始地址；②提供对齐的起始地址，使用字节线来表示非对齐的起始地址。

图 3-9 对齐非对齐传输示例1-32bit总线

图 3-10 对齐非对齐传输示例2-64bit总线

图 3-11 对齐的回环传输示例

读写响应结构

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。

RRESP[1:0],读传输

BRESP[1:0],写传输

OKAY('b00):正常访问成功

EXOKAY('b01):Exclusive 访问成功

SLVERR('b10):从机错误。表明访问已经成功到了从机，但从机希望返回一个错误的情况给主机。

DECERR('b11):译码错误。一般由互联组件给出，表明没有对应的从机地址。