浅谈AXI总线

这篇博客在写之前借鉴了网上各位大佬对AXI总线的理解和总结，在此表示感谢。集合了博客，知乎以及书上对AXI总线的介绍。做以下记录用于自己日后复习和更好的理解。

1：协议简介

Xilinx fpga 从Virtex-6系列开始，内部IP都支持AXI4总线协议，AXI高级可扩展接口（Advanced eXtensible Interface, AXI）是一种总线协议，该协议是ARM公司提出的高级微控制器总线结构 AMBA（Advanced Microcontroller Bus Archtiecture ）协议中最重要的部分，AMBA总线标准一共有四套版本，各个版本的协议都沿用至今。AXI4总线协议包含在2010年发布的AMBA4.0中，包括AXI4，AXI4-Lite和AXI4-Stream。

它们的区别是：AXI4-Lite是AXI4的精简版，不支持突发传输方式（Burst-length固定=1），且总线接口只支持32bit 和 64bit位宽。

AXI4-Stream总线主要用于突发传输，而且对突发长度没有限制，支持一直读或写，没有地址通道，没有读写使能，只用TLAST信号拉高表示传输结束。

AXI4总线协议包括了主设备（Master）与互连结构之间，从设备（Slave）与互连结构之间，以及主设备与从设备之间的连接，AXI4总线是一种多通道并且以突发传输（连续传输）为机制的总线。可以连续对一片地址进行一次性读写，允许最大256轮的数据突发传输。

2：AXI有多少传输通道

AXI4总线拥有5个独立的传输通道：

（1）WRITE : 写地址通道，写数据通道，写响应通道。

（2）READ：读地址通道，读数据通道（包含了读响应通道的功能）

3：AXI4接口信号列表

WRITE:

READ:

数据选通（WSTRB）信号说明：

WSTRB的每一位对应数据中的8位（1字节），用于标志数据中的对应字节是否有效。即当WSTRB[n] = 1时，标志数据中WDATA[(8n)+7: (8n)]部分有效。默认为11，表示均有效。

读/写突发类型（Aw/rBurst）信号说明：

AXI支持三种突发类型：

FIXED（AxBURST[1:0]=0b00）：固定突发模式，每次突发传输的地址相同
INCR（AxBURST[1:0]=0b01）：增量突发模式，突发传输地址递增，递增量与突发尺寸相关
WRAP（AxBURST[1:0]=0b10）：回卷突发模式，突发传输地址可溢出性递增，突发长度仅支持2,4,8,16。地址空间被划分为长度【突发尺寸*突发长度】的块，传输地址不会超出起始地址所在的块，一旦递增超出，则回到该块的起始地址

（借鉴了博客：https://blog.csdn.net/bleauchat/article/details/96891619）

这里顺便说明一下突发（Burst）的意思：

Burst length: ARLEN[7:0]和AWLEN[7:0]表示的就是这个。表示的是连续传输的周期数。一个burst内部是不可以被打断的。。所以data valid一旦高起来就要把一个burst传完再拉低，slave的ready信号可以中断，但是最终还是要高起来传完一个burst. 对于master来说，一旦开始传数，一个burst之间的valid应该是不会低的。

Burst size: 指的是一个burst里面有多少Byte. ARSIZE[2:0]和AWSIZE[2:0] 里就是这个。为什么只有3bit呢？因为只有8种情况。1，2，4，8，16，32，64，128。这个里面其实有个非常小的问题。。一般来说。总线位宽和burst size一致的。

但是也会出现不一致的情况：比如总线64bit, burst size是8Byte. 但是你要说我头铁非要给个不一样的值。。那也没问题。你总线是8BTYE, 你给了个2BYTE的Burst size, 那你就要指定，，每次传输这个2BYTE要放到8BYTE的哪几个BTYE上去。

（借鉴了知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/96804919）

于是出现了两种不同的传输方式：

1：窄带传输

当传输的数据位宽小于xDATA总线带宽时，为窄带传输，每次使用的数据位数不同：

FIXED模式突发下，使用同一段数据信号线
INCREMENTING和WRAP地址的突发下，使用不同段信号线

比如上面这个例子。32bit的地址总线。burst size给了个8bit. 那就靠WSTRB这个信号确定往哪儿写。比如上面。传输了5次。在第五次传输时回到开头使用0~7位

2：不对齐传输（暂时还不理解）

当传输位宽超过1byte，起始地址不为数据总线硬件带宽（byte单位）整数倍时，为不对齐传输。不对齐传输的时候需要配合数据选通在第一次传输时将某几个byte置为无效，使第二次突发传输的起始地址（从机自动计算）为突发尺寸的整数倍。

4：AXI总线如何传输数据（写/读握手关系）

WRITE:

以AXI4-Lite标准协议为例，写过程分为三个阶段，地址发送，数据写入，响应接受三个阶段，时序如下图中所示。

一：地址发送阶段

在写数据过程中，主机的地址连接在s_axi_awaddr总线上，同时将s_axi_awvalid信号拉高，表示主机的有效地址信息已经在信道上等待从机完成接收。同时等待从机发出的接受响应，当从机发送的s_axi_awready有效（拉高）时表示从机允许接收地址信息。从接口只在s_axi_awvaild和s_axi_awready同时有效时才能完成地址信息的接收，即完成主接口的写地址发送。

二：数据写入阶段

主接口发送完地址信息后，准备写入数据，将待写入的数据置于s_axi_wdata总线上（s_axi_wstrb表示写入选通吸信号，默认为11，表示写入数据均可用），并将s_axi_wvalid置为有效（拉高），表示数据已经在信道上等待从机发出的写入响应信号，进而写入从接口。从接口将s_axi_wready信号拉高，表示从接口可以呗写入数据了。当s_axi_wavaild和s_axi_wready信号同时为1后，表示完成了数据写入

三：响应接收阶段

主接口完成数据写入后，主机把 s_axi_bready信号拉高（给从机一个我可以接收响应了的信号），等待从机接口的响应信号。从接口的响应信号s_axi_bresp[1:0]用2‘b00表示数据信道的数据写入成功，即OKEY，从机接口发出的s_axi_bresp响应信号的有效信号s_axi_bvaild为1时才表示响应有效。

主机的s_axi_bready=1，从机的s_axi_bresp[1:0]=2‘b00，s_axi_bvaild=1，同时满足表示主机接口确认从接口完成了数据的写入。

以上过程的结束表示一次完整的基于AXI4_Lite接口的写寄存器过程。

READ:

一：地址发送：

主机将要读入的地址输入到s_axi_araddr总线上，同时将s_axi_arvalid信号拉高。表示主机的地址已经在信道上等待从接口完成接收，同时等待从接口发出s_axi_arready信号，当从接口发出的s_axi_arready信号有效时，表示从接口允许接收地址信息。从接口只在s_axi_arvaild信号和s_axi_arready同时有效时才能完成信息接收，即完成主接口的读地址发送。

二：数据接收：

主机发送完地址请求后，发送接收数据请求信号，将s_axi_rready信号拉高，表示主机可以接收数据了。从接口接收到主接口的准备ready信号后给出响应，在s_axi_rdata总线上发送主机请求的数据，同时把s_axi_rvaild信号拉高，表示s_axi_rdata数据有效，主机根据s_axi_rvaild信号有效接收数据，完成数据的读过程。

以上即为AXI4-Lite的读写时序。

AXI-4的读写时序如下图中所示，基本时序与AXI4-Lite一样。区别在于AXI4-Lite只支持突发=1的操作。而AXI-4支持多burst的操作。最后一个数据写入或读出时拉高 W/RLAST信号。