AXI總線協議的幾種時序介紹

由于ZYNQ架構和常用接口IP核經常出現 AXI協議，賽靈思的協議手冊講解時序比較分散。所以筆者收藏AXI協議的幾種時序，方便編程。

(1) AXI_LITE協議：

( 1) 讀地址通道， 包含ARVALID, ARADDR, ARREADY信號;

( 2) 讀數據通道， 包含RVALID, RDATA, RREADY, RRESP信號;

( 3) 寫地址通道， 包含AWVALID， AWADDR, AWREADY信號;

( 4) 寫數據通道， 包含WVALID, WDATA， WSTRB, WREADY信號;

( 5) 寫應答通道， 包含BVALID, BRESP, BREADY信號;( 6) 系統通道， 包含：ACLK， ARESETN信號。

AXI4總線和AXI4-Lite總線的信號也有他的命名特點：讀地址信號都是以AR開頭( A：address;R：read)寫地址信號都是以AW開頭( A：address;W：write)讀數據信號都是以R開頭( R：read)寫數據信號都是以W開頭( W：write)

AXI_LITE讀時序：

AXI_LITE：寫時序

(2) AXI_STREAM:

AXI4-Stream總線的組成有：

( 1) ACLK信號：總線時鐘， 上升沿有效;

( 2) ARESETN信號：總線復位， 低電平有效

( 3) TREADY信號：從機告訴主機做好傳輸準備;

( 4) TDATA信號：數據， 可選寬度32,64,128,256bit

( 5) TSTRB信號：每一bit對應TDATA的一個有效字節， 寬度為TDATA/8

( 6) TLAST信號：主機告訴從機該次傳輸為突發傳輸的結尾;

( 7) TVALID信號：主機告訴從機數據本次傳輸有效;

( 8) TUSER信號 ：用戶定義信號， 寬度為128bit。

(3)其他

(a)AXI架構

AXI協議是基于burst的傳輸，并且定義了以下5個獨立的傳輸通道：讀地址通道、讀數據通道、寫地址通道、寫數據通道、寫響應通道。

地址通道攜帶控制消息用于描述被傳輸的數據屬性，數據傳輸使用寫通道來實現“主”到“從”的傳輸，“從”使用寫響應通道來完成一次寫傳輸;讀通道用來實現數據從“從”到“主”的傳輸。

圖3-1 讀結構

圖3-2 寫架構

AXI是基于VALID/READY的握手機制數據傳輸協議，傳輸源端使用VALID表明地址/控制信號、數據是有效的，目的端使用READY表明自己能夠接受信息。

讀/寫地址通道：讀、寫傳輸每個都有自己的地址通道，對應的地址通道承載著對應傳輸的地址控制信息。

讀數據通道：讀數據通道承載著讀數據和讀響應信號包括數據總線(8/16/32/64/128/256/512/1024bit)和指示讀傳輸完成的讀響應信號。

寫數據通道：寫數據通道的數據信息被認為是緩沖(buffered)了的，“主”無需等待“從”對上次寫傳輸的確認即可發起一次新的寫傳輸。寫通道包括數據總線(8/16…1024bit)和字節線(用于指示8bit 數據信號的有效性)。

寫響應通道：“從”使用寫響應通道對寫傳輸進行響應。所有的寫傳輸需要寫響應通道的完成信號。

圖3-4 接口與互聯

AXI協議提供單一的接口定義，能用在下述三種接口之間：master/interconnect、slave/interconnect、master/slave。

可以使用以下幾種典型的系統拓撲架構：

共享地址與數據總線

共享地址總線，多數據總線

multilayer多層，多地址總線，多數據總線

在大多數系統中，地址通道的帶寬要求沒有數據通道高，因此可以使用共享地址總線，多數據總線結構來對系統性能和互聯復雜度進行平衡。

寄存器片(Register Slices)：

每個AXI通道使用單一方向傳輸信息，并且各個通道直接沒有任何固定關系。因此可以可以在任何通道任何點插入寄存器片，當然這會導致額外的周期延遲。

使用寄存器片可以實現周期延遲(cycles of latency)和最大操作頻率的折中;使用寄存器片可以分割低速外設的長路徑。

(b)信號描述

表 2-1 全局信號

表 2-2 寫地址通道信號

表 2-3 寫數據通道信號

表 2-4 寫響應通道信號

表 2-5 讀地址通道信號

表 2-6 讀數據通道信號

表 2-7 低功耗接口信號

(c) 信號接口要求

3.1時鐘復位

時鐘

每個AXI組件使用一個時鐘信號ACLK，所有輸入信號在ACLK上升沿采樣，所有輸出信號必須在ACLK上升沿后發生。

復位

AXI使用一個低電平有效的復位信號ARESETn，復位信號可以異步斷言，但必須和時鐘上升沿同步去斷言。

復位期間對接口有如下要求：①主機接口必須驅動ARVALID，AWVALID，WVALID為低電平;②從機接口必須驅動RVALID，BVALID為低電平;③所有其他信號可以被驅動到任意值。

在復位后，主機可以在時鐘上升沿驅動ARVALID，AWVALID，WVALID為高電平。

3.2基本讀寫傳輸

握手過程

5個傳輸通道均使用VALID/READY信號對傳輸過程的地址、數據、控制信號進行握手。使用雙向握手機制，傳輸僅僅發生在VALID、READY同時有效的時候。下圖是幾種握手機制：

圖 3-1 VALID before READY 握手

圖 3-2 READY before VALID 握手

圖 3-3 VALID with READY 握手

通道信號要求

通道握手信號：每個通道有自己的xVALID/xREADY握手信號對。

寫地址通道：當主機驅動有效的地址和控制信號時，主機可以斷言AWVALID，一旦斷言，需要保持AWVALID的斷言狀態，直到時鐘上升沿采樣到從機的AWREADY。AWREADY默認值可高可低，推薦為高(如果為低，一次傳輸至少需要兩個周期，一個用來斷言AWVALID，一個用來斷言AWREADY);當AWREADY為高時，從機必須能夠接受提供給它的有效地址。

寫數據通道：在寫突發傳輸過程中，主機只能在它提供有效的寫數據時斷言WVALID，一旦斷言，需要保持斷言狀態，知道時鐘上升沿采樣到從機的WREADY。WREADY默認值可以為高，這要求從機總能夠在單個周期內接受寫數據。主機在驅動最后一次寫突發傳輸是需要斷言WLAST信號。

寫響應通道：從機只能它在驅動有效的寫響應時斷言BVALID，一旦斷言需要保持，直到時鐘上升沿采樣到主機的BREADY信號。當主機總能在一個周期內接受寫響應信號時，可以將BREADY的默認值設為高。

讀地址通道：當主機驅動有效的地址和控制信號時，主機可以斷言ARVALID，一旦斷言，需要保持ARVALID的斷言狀態，直到時鐘上升沿采樣到從機的ARREADY。ARREADY默認值可高可低，推薦為高(如果為低，一次傳輸至少需要兩個周期，一個用來斷言ARVALID，一個用來斷言ARREADY);當ARREADY為高時，從機必須能夠接受提供給它的有效地址。

讀數據通道：只有當從機驅動有效的讀數據時從機才可以斷言RVALID，一旦斷言需要保持直到時鐘上升沿采樣到主機的BREADY。BREADY默認值可以為高，此時需要主機任何時候一旦開始讀傳輸就能立馬接受讀數據。當最后一次突發讀傳輸時，從機需要斷言RLAST。

通道間關系

AXI協議要求通道間滿足如下關系：

寫響應必須跟隨最后一次burst的的寫傳輸

讀數據必須跟隨數據對應的地址

通道握手信號需要確認一些依耐關系

通道握手信號的依耐關系

審核編輯：湯梓紅