2.5 AXI總線

2.5.1 AXI總線簡(jiǎn)介

AXI作為AMBA總線協(xié)議的一部分，第一次出現(xiàn)在AMBA 3.0中。后面AMBA 4.0發(fā)布，AXI4出現(xiàn)了。AXI4總線和別的總線一樣，都用來(lái)傳輸bits信息（包含了數(shù)據(jù)或者地址）。AXI是一種面向高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線。它的地址/控制和數(shù)據(jù)相位是分離的，支持不對(duì)齊的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)在突發(fā)傳輸中，只需要首地址，同時(shí)分離的讀寫數(shù)據(jù)通道、并支持顯著傳輸訪問(wèn)和亂序訪問(wèn)，并更加容易進(jìn)行時(shí)序收斂。

AXI特點(diǎn)是單向通道體系結(jié)構(gòu)，信息流只以單方向傳輸，簡(jiǎn)化時(shí)鐘域間的橋接，減少門數(shù)量。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的片上系統(tǒng)時(shí)，減少延時(shí)。支持多項(xiàng)數(shù)據(jù)交換。通過(guò)并行執(zhí)行猝發(fā)操作，極大地提高了數(shù)據(jù)吞吐能力，可在更短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，在滿足高性能要求的同時(shí)，又減少了功耗。獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)通道。地址和數(shù)據(jù)通道分開(kāi)，能對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，可以根據(jù)需要控制時(shí)序通道，將時(shí)鐘頻率提到最高，并將延時(shí)降到最低。

AXI4總線有三種類型，分別是AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream。AXI4是一種高性能memory-mapped總線，AXI4-Lite是一只簡(jiǎn)單的、低通量的memory-mapped 總線，而 AXI4-Stream 可以傳輸高速數(shù)據(jù)流。從字面意思去理解，AXI4-Lite是AXI4的輕量版。這里保留了memory-mapped的寫法，主要是為了與AXI4-Stream區(qū)分開(kāi)。

可以這樣去理解memory-mapped，假設(shè)有master A， 和 slave B，A與B通過(guò)AXI4或者AXI4-Lite連接通訊，A可以把B這個(gè)外設(shè)看作A上的某個(gè)地址。當(dāng)A向B傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，就等同于A向這個(gè)地址傳輸數(shù)據(jù)。AXI4-Stream與AXI4、AXI4-Lite不同， 它不需要地址通道。

2.5.2 AXI總線讀寫框架

1）AXI讀寫傳輸

AXI4 和 AXI4-Lite接口包含5個(gè)不同的通道：兩個(gè)讀通道和三個(gè)寫通道。每一個(gè)AXI傳輸通道都是單方向的。每一個(gè)傳輸都有地址和控制信息在地址通道（address channel）中，用來(lái)描述被傳輸數(shù)據(jù)的性質(zhì)。

• 兩個(gè)讀通道：讀地址通道(read address channel)、讀數(shù)據(jù)通道(read data channel)。
• 三個(gè)寫通道：寫地址通道(write address channel)、寫數(shù)據(jù)通道(write data channel)、寫響應(yīng)通道(write response channel)。
  對(duì)于讀操作，主模塊通過(guò)地址通道發(fā)送讀傳輸?shù)刂罚瑥哪K通過(guò)讀數(shù)據(jù)通道返回給主模塊所需要的數(shù)據(jù)。

對(duì)于寫操作，主模塊通過(guò)寫地址通道發(fā)送寫傳輸?shù)刂罚⑼ㄟ^(guò)寫數(shù)據(jù)通道把數(shù)據(jù)發(fā)送給從模塊。而從模塊接受到數(shù)據(jù)后，需要通過(guò)寫響應(yīng)通道返回一個(gè)響應(yīng)給主模塊。

讀通道和寫通道是分開(kāi)的，因此可以完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸。此外AXI4能夠?qū)崿F(xiàn)burst傳輸，換句說(shuō)就是，可以在一個(gè)地址后傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)，最多可以達(dá)256 字節(jié)。AXI4-Lite不支持burst傳輸。AXI4-Stream 只有一個(gè)通道，不需要地址，可以burst 傳輸無(wú)限的數(shù)據(jù)。

這5條獨(dú)立的通道都包含一個(gè)信息信號(hào)和一個(gè)雙路的VALD、READY握手機(jī)制。信息源通過(guò)VALID信號(hào)來(lái)指示通道中的數(shù)據(jù)和控制信息什么時(shí)候有效。目地源用READY信號(hào)來(lái)表示何時(shí)能夠接收數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)通道都包括一個(gè)LAST信號(hào)，用來(lái)指明一個(gè)事物傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)數(shù)據(jù)。

讀和寫傳輸都有他們自己的地址通道，這地址通道攜帶著傳輸所必須的地址和信息。讀數(shù)據(jù)通道傳送著從模塊到主模塊的讀數(shù)據(jù)和讀響應(yīng)信息。讀響應(yīng)信息指明讀事務(wù)的完成狀態(tài)。寫數(shù)據(jù)通路傳送著主模塊向從模塊的寫數(shù)據(jù)。每八個(gè)數(shù)據(jù)都會(huì)有一個(gè)byte lane ，用來(lái)指明數(shù)據(jù)總線上面的哪些byte有效。寫響應(yīng)通道提供了設(shè)備響應(yīng)寫傳輸?shù)囊环N方式。這完成信號(hào)每一次突發(fā)式讀寫會(huì)產(chǎn)生一個(gè)。

2）AXI典型連接圖

上圖是一個(gè)典型的一系列主設(shè)備與一系列從設(shè)備的連接系統(tǒng)。這些主設(shè)備與從設(shè)備通過(guò)interconnect連接在一起。

AXI協(xié)議提供單一的接口定義，主要包括：

• manager和interconnect之間。
• subordinate和interconnect之間。
• manager和subordinate之間。
  AXI協(xié)議還提出了一個(gè)重要的概念，那就是 Register Slices，因?yàn)?上述五個(gè)通道之間沒(méi)有固定的關(guān)系，而且通道中傳輸?shù)男畔⑹菃畏较虻模敲纯梢钥梢栽谌我庖粋€(gè)通道中任意節(jié)點(diǎn) 插入register slices，通過(guò)插入register slice來(lái)抵消長(zhǎng)路徑的延時(shí)，從而提高系統(tǒng)的性能。register slice的使用需要平衡 時(shí)鐘延時(shí)和最大工作頻率之間的關(guān)系。

2.5.2 AXI信號(hào)

2.5.3 握手信號(hào)

在了解AXI每個(gè)通道的定義信號(hào)后，下面對(duì)讀寫機(jī)制中的握手機(jī)制進(jìn)行說(shuō)明。

五個(gè)獨(dú)立的通道均使用VALID/READY進(jìn)行握手，VALID由源端產(chǎn)生，用于指示源端發(fā)出的地址、數(shù)據(jù)、控制信息什么時(shí)候生效，READY則由目的端產(chǎn)生，用于指示源端發(fā)送信息什么時(shí)候被接收，只有當(dāng)VALID和READY同時(shí)為高時(shí)，才會(huì)表示本次傳輸完成。

VALID和READY握手可以分為下面三種情況：

• VALID早于READY生效。
• READY早于VALID生效。
• VALID和READY同時(shí)生效。

對(duì)于五個(gè)通道之間的關(guān)系，AXI協(xié)議僅定義了下面的關(guān)系：

• 寫響應(yīng)必須跟隨寫操作的最后一個(gè)傳輸。
• 讀數(shù)據(jù)必須緊跟讀地址數(shù)據(jù)。
  除了上述兩點(diǎn)定義，AXI未定義其他任何通道間的關(guān)系，那么對(duì)于通道間的握手信號(hào)先后順序，必須按照特定的順序操作，不然很容易引起接口上的dead-lock。
  具體的，讀操作時(shí)，對(duì)應(yīng)的讀地址通道和讀數(shù)據(jù)通道間握手信號(hào)的解釋如下：
• ARVALID和ARREADY可以參考握手機(jī)制中的時(shí)序圖所示關(guān)系；
• RVALID和RREADY可以參考握手機(jī)制中的時(shí)序圖所示關(guān)系；
• RVALID必須在ARVALID和ARREADY同時(shí)生效后被使能；
  寫操作時(shí)，對(duì)應(yīng)的寫地址通道、寫數(shù)據(jù)通道、寫響應(yīng)通道間的握手信號(hào)的解釋如下：
• AWVALID和AWREADY之間的關(guān)系可以參考握手機(jī)制中的時(shí)序圖。
• WVALID和WREADY之間的關(guān)系可以參考握手機(jī)制中的時(shí)序圖。
• WVALID和AWREADY之間也可以參考握手機(jī)制中的時(shí)序圖。
• BAVALID和BREADY之間的關(guān)系可以參考握手機(jī)制中的時(shí)序圖。
• BVALID必須在WVALID和WREADY同時(shí)生效之后再被使能，同時(shí)必須是WLAST之后。
  上述寫操作通道間握手順序是基于AXI3協(xié)議，AXI4/5在AXI3基礎(chǔ)上有改進(jìn)，具體如下：

AXI4/5協(xié)議對(duì)于BVALID置位條件加強(qiáng)了，同時(shí)需要滿足WVALID/WREADY和AWVALID/AWREADY生效之后，且是在WLAST之后，才能被使能；

2.5.4 地址結(jié)構(gòu)

AXI協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)控制信息采用Start_address+Length形式，即Manager發(fā)出start_address、length以及burst類型、每次傳輸?shù)拇笮〉龋瑂ubordinate需要根據(jù)這些信息計(jì)算后續(xù)的地址，決定返回那些地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)給manager；那么如何根據(jù)manager發(fā)送的address、length、burst類型、每個(gè)傳輸?shù)拇笮∵@些信息計(jì)算出manager需要訪問(wèn)的地址，需要先看一下AXI協(xié)議所定義的地址結(jié)構(gòu)；

2.5.5 burst length

AXI協(xié)議定義 ARLEN、AWLEN分別表示讀操作長(zhǎng)度和寫操作長(zhǎng)度，后面統(tǒng)一使用AxLEN統(tǒng)一表示。

AxLEN的含義：AxLEN+1 個(gè)傳輸(transfer)。

如AxLEN=7，AxSIZE=16byte(后面會(huì)講到)，那么本次burst傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為：8*16=128byte。

AXI3協(xié)議定義AxLEN范圍：1~16；對(duì)應(yīng)的AxLEN使用4bit表示。

AXI4協(xié)議定義AxLEN范圍：1~256，對(duì)應(yīng)的AxLEN使用8bit表示。

對(duì)于Length還有如下幾點(diǎn)限制條件：

• 對(duì)于WARP類型的burst，burst length必須為2、4、8或者16。
• burst不能超過(guò)4KB地址邊界。
• burst不支持提前結(jié)束。

2.5.6 burst size

burst size表示每次傳輸(transfer)包含多少byte，分別定義了ARSIZE、AWSIZE分別表示讀傳輸、寫傳輸大小。

后面統(tǒng)一使用AxSIZE表示，AxSIZE使用3bit表示，具體的譯碼方式參見(jiàn)下圖：

AxSIZE指定的傳輸大小不能超過(guò)系統(tǒng)工作的數(shù)據(jù)位寬。

2.5.7 burst type

AXI協(xié)議規(guī)定下面三種burst類型：

同理，AxBURST為ARBURST和AWBURST的統(tǒng)稱，分別表示讀操作、寫操作burst類型。

• FIXED表示每次傳輸?shù)牡刂肥窍嗤牡刂罚Ｓ糜趯?duì)FIFO的訪問(wèn)。
• INCR表示每次地址都是按照遞增類型，下次傳輸?shù)牡刂?當(dāng)前傳輸?shù)刂?當(dāng)前傳輸?shù)拇笮　?/li>
• WRAP表示每次地址都是按照遞增類型，只有在達(dá)到地址邊界的時(shí)候，會(huì)卷繞到低位的地址邊界開(kāi)始，這種卷繞方式同AHB協(xié)議相同。

2.5.8 響應(yīng)類型

上面分析地址結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，接下來(lái)介紹一下響應(yīng)類型，BRESP、RRESP分別表示寫響應(yīng)、讀響應(yīng)，后面統(tǒng)一使用xRESP表示，具體的譯碼規(guī)則如下：

2.6 AXI、AHB、APB總線對(duì)比

AHB：針對(duì)高效率、高頻寬及快速系統(tǒng)模塊所設(shè)計(jì)的總線，它可以連接如CPU、芯片上或芯片外的內(nèi)存模塊和DMA等高效率模塊。

APB：用在低速且低功耗的外圍設(shè)備，針對(duì)外圍設(shè)備作功率消耗及復(fù)雜接口的優(yōu)化。APB在AHB和低帶寬的外圍設(shè)備之間提供了通信的橋梁，所以APB是AHB的二級(jí)拓展總線。

AXI：高速度、高帶寬、管道化互聯(lián)、單向通道，只需要首地址、讀寫并行、支持亂序、支持非對(duì)齊操作，但連線非常多。

AXI、AHB、APB總線的性能對(duì)比分析：

AHB是高級(jí)高性能總線，AXI是高級(jí)可擴(kuò)展接口，APB是高級(jí)外圍總線。AHB和APB都是單通道總線，不支持讀寫并行。而AXI是多通道總線，總共分為五個(gè)通道，能夠?qū)崿F(xiàn)讀寫并行。AHB和AXI都是多主/從設(shè)備，且通過(guò)仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)總線控制權(quán)的分配。而APB是單主設(shè)備多從設(shè)備，其主設(shè)備就是APB橋，不具有仲裁機(jī)制。在數(shù)據(jù)操作方面，AHB和AXI支持突發(fā)傳輸，APB不支持。此外，AXI支持?jǐn)?shù)據(jù)的非對(duì)齊操作，AHB不支持。