深度分析AMBA總線工作原理4

2.5 AXI總線

2.5.1 AXI總線簡介

AXI作為AMBA總線協議的一部分，第一次出現在AMBA 3.0中。后面AMBA 4.0發布，AXI4出現了。AXI4總線和別的總線一樣，都用來傳輸bits信息（包含了數據或者地址）。AXI是一種面向高性能、高帶寬、低延遲的片內總線。它的地址/控制和數據相位是分離的，支持不對齊的數據傳輸，同時在突發傳輸中，只需要首地址，同時分離的讀寫數據通道、并支持顯著傳輸訪問和亂序訪問，并更加容易進行時序收斂。

AXI特點是單向通道體系結構，信息流只以單方向傳輸，簡化時鐘域間的橋接，減少門數量。當信號經過復雜的片上系統時，減少延時。支持多項數據交換。通過并行執行猝發操作，極大地提高了數據吞吐能力，可在更短的時間內完成任務，在滿足高性能要求的同時，又減少了功耗。獨立的地址和數據通道。地址和數據通道分開，能對每一個通道進行單獨優化，可以根據需要控制時序通道，將時鐘頻率提到最高，并將延時降到最低。

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是一只簡單的、低通量的memory-mapped 總線，而 AXI4-Stream 可以傳輸高速數據流。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區分開。

可以這樣去理解memory-mapped，假設有master A， 和 slave B，A與B通過AXI4或者AXI4-Lite連接通訊，A可以把B這個外設看作A上的某個地址。當A向B傳輸數據時，就等同于A向這個地址傳輸數據。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個不同的通道：兩個讀通道和三個寫通道。每一個AXI傳輸通道都是單方向的。每一個傳輸都有地址和控制信息在地址通道（address channel）中，用來描述被傳輸數據的性質。

• 兩個讀通道：讀地址通道(read address channel)、讀數據通道(read data channel)。
• 三個寫通道：寫地址通道(write address channel)、寫數據通道(write data channel)、寫響應通道(write response channel)。
  對于讀操作，主模塊通過地址通道發送讀傳輸地址，從模塊通過讀數據通道返回給主模塊所需要的數據。

對于寫操作，主模塊通過寫地址通道發送寫傳輸地址，并通過寫數據通道把數據發送給從模塊。而從模塊接受到數據后，需要通過寫響應通道返回一個響應給主模塊。

讀通道和寫通道是分開的，因此可以完成數據的雙向傳輸。此外AXI4能夠實現burst傳輸，換句說就是，可以在一個地址后傳輸多個數據，最多可以達256 字節。AXI4-Lite不支持burst傳輸。AXI4-Stream 只有一個通道，不需要地址，可以burst 傳輸無限的數據。

這5條獨立的通道都包含一個信息信號和一個雙路的VALD、READY握手機制。信息源通過VALID信號來指示通道中的數據和控制信息什么時候有效。目地源用READY信號來表示何時能夠接收數據。讀數據和寫數據通道都包括一個LAST信號，用來指明一個事物傳輸的最后一個數據。

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。讀數據通道傳送著從模塊到主模塊的讀數據和讀響應信息。讀響應信息指明讀事務的完成狀態。寫數據通路傳送著主模塊向從模塊的寫數據。每八個數據都會有一個byte lane ，用來指明數據總線上面的哪些byte有效。寫響應通道提供了設備響應寫傳輸的一種方式。這完成信號每一次突發式讀寫會產生一個。

2）AXI典型連接圖

上圖是一個典型的一系列主設備與一系列從設備的連接系統。這些主設備與從設備通過interconnect連接在一起。

AXI協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協議還提出了一個重要的概念，那就是 Register Slices，因為 上述五個通道之間沒有固定的關系，而且通道中傳輸的信息是單方向的，那么可以可以在任意一個通道中任意節點 插入register slices，通過插入register slice來抵消長路徑的延時，從而提高系統的性能。register slice的使用需要平衡 時鐘延時和最大工作頻率之間的關系。

2.5.2 AXI信號

2.5.3 握手信號

在了解AXI每個通道的定義信號后，下面對讀寫機制中的握手機制進行說明。

五個獨立的通道均使用VALID/READY進行握手，VALID由源端產生，用于指示源端發出的地址、數據、控制信息什么時候生效，READY則由目的端產生，用于指示源端發送信息什么時候被接收，只有當VALID和READY同時為高時，才會表示本次傳輸完成。

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同時生效。

對于五個通道之間的關系，AXI協議僅定義了下面的關系：

• 寫響應必須跟隨寫操作的最后一個傳輸。
• 讀數據必須緊跟讀地址數據。
  除了上述兩點定義，AXI未定義其他任何通道間的關系，那么對于通道間的握手信號先后順序，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，對應的讀地址通道和讀數據通道間握手信號的解釋如下：
• ARVALID和ARREADY可以參考握手機制中的時序圖所示關系；
• RVALID和RREADY可以參考握手機制中的時序圖所示關系；
• RVALID必須在ARVALID和ARREADY同時生效后被使能；
  寫操作時，對應的寫地址通道、寫數據通道、寫響應通道間的握手信號的解釋如下：
• AWVALID和AWREADY之間的關系可以參考握手機制中的時序圖。
• WVALID和WREADY之間的關系可以參考握手機制中的時序圖。
• WVALID和AWREADY之間也可以參考握手機制中的時序圖。
• BAVALID和BREADY之間的關系可以參考握手機制中的時序圖。
• BVALID必須在WVALID和WREADY同時生效之后再被使能，同時必須是WLAST之后。
  上述寫操作通道間握手順序是基于AXI3協議，AXI4/5在AXI3基礎上有改進，具體如下：

AXI4/5協議對于BVALID置位條件加強了，同時需要滿足WVALID/WREADY和AWVALID/AWREADY生效之后，且是在WLAST之后，才能被使能；

2.5.4 地址結構

AXI協議傳輸數據時控制信息采用Start_address+Length形式，即Manager發出start_address、length以及burst類型、每次傳輸的大小等，subordinate需要根據這些信息計算后續的地址，決定返回那些地址對應的數據給manager；那么如何根據manager發送的address、length、burst類型、每個傳輸的大小這些信息計算出manager需要訪問的地址，需要先看一下AXI協議所定義的地址結構；

2.5.5 burst length

AXI協議定義 ARLEN、AWLEN分別表示讀操作長度和寫操作長度，后面統一使用AxLEN統一表示。

AxLEN的含義：AxLEN+1 個傳輸(transfer)。

如AxLEN=7，AxSIZE=16byte(后面會講到)，那么本次burst傳輸的數據量為：8*16=128byte。

AXI3協議定義AxLEN范圍：1~16；對應的AxLEN使用4bit表示。

AXI4協議定義AxLEN范圍：1~256，對應的AxLEN使用8bit表示。

對于Length還有如下幾點限制條件：

• 對于WARP類型的burst，burst length必須為2、4、8或者16。
• burst不能超過4KB地址邊界。
• burst不支持提前結束。

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。

后面統一使用AxSIZE表示，AxSIZE使用3bit表示，具體的譯碼方式參見下圖：

AxSIZE指定的傳輸大小不能超過系統工作的數據位寬。

2.5.7 burst type

AXI協議規定下面三種burst類型：

同理，AxBURST為ARBURST和AWBURST的統稱，分別表示讀操作、寫操作burst類型。

• FIXED表示每次傳輸的地址是相同的地址，常用于對FIFO的訪問。
• INCR表示每次地址都是按照遞增類型，下次傳輸的地址=當前傳輸地址+當前傳輸的大小。
• WRAP表示每次地址都是按照遞增類型，只有在達到地址邊界的時候，會卷繞到低位的地址邊界開始，這種卷繞方式同AHB協議相同。

2.5.8 響應類型

上面分析地址結構、數據結構，接下來介紹一下響應類型，BRESP、RRESP分別表示寫響應、讀響應，后面統一使用xRESP表示，具體的譯碼規則如下：

2.6 AXI、AHB、APB總線對比

AHB：針對高效率、高頻寬及快速系統模塊所設計的總線，它可以連接如CPU、芯片上或芯片外的內存模塊和DMA等高效率模塊。

APB：用在低速且低功耗的外圍設備，針對外圍設備作功率消耗及復雜接口的優化。APB在AHB和低帶寬的外圍設備之間提供了通信的橋梁，所以APB是AHB的二級拓展總線。

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

AXI、AHB、APB總線的性能對比分析：

AHB是高級高性能總線，AXI是高級可擴展接口，APB是高級外圍總線。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，總共分為五個通道，能夠實現讀寫并行。AHB和AXI都是多主/從設備，且通過仲裁機制實現總線控制權的分配。而APB是單主設備多從設備，其主設備就是APB橋，不具有仲裁機制。在數據操作方面，AHB和AXI支持突發傳輸，APB不支持。此外，AXI支持數據的非對齊操作，AHB不支持。