一篇文章读懂读透FPGA AXI4 总线协议

新一代FPGA中采用的基本都是AXI4总线协议，例如与slaver侧的DMA或DDR等通信。这篇讲AXI4的文章感觉讲的很清楚。

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。

关键特点：

• 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

• 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

表 2-2 写地址通道信号

表 2-3 写数据通道信号