AXI 总线(一)通道握手-AXI-Lite

关于本系列教程

​ 需要注意的是，AXI协议是ARM公司的知识产权，此分享仅为交流学习用途。本人也属于边学边总结，如有纰漏也请大家一同指出交流交流。

​ 其中，由于官方文档实在写得太好，这里原理部分主要参考官方文档（甚至有一些是直接翻译）和赛灵思的官方文档。还有一些我觉得把AXI介绍得很不错的博客文章，可见于参考资料。当然也推荐大家去看官方文档，但是文档稍微有点繁杂，而且我相信大部分人学AXI总线是为了应用,详细点就是把自己写的模块接入到AXI总线中。所以本教程有以下特点：

• 会着重于总线中的正常读写过程和一些影响读写的关键信号和时序，而不会太注意一些AXI发展中的其他特性（也会介绍，但是更多可能会给出在文档的什么章节）。
• 注重代码Coding，在介绍协议的时候，会配合讲Xilinx给的示例IP，如本文中讲解了AXI-Lite协议的代码。在具体理解的时候，也会单独做一些实际的小项目和仿真。

​ 废话有点多了，下面直接开始。

什么是AXI协议

本节主要参考自赛灵思官方博客：AXI Basics 1 - Introduction to AXI，可见于参考资料

AXI指的是( Advanced eXtensible Interface) 是ARM提出的AMBA(Advanced Micro_controller Bus Architecture)协议中的一部分。

其中又分三项：

• AXI4 (Full AXI4): 用于高性能内存映射需求。可以理解为满血版AXI
• AXI4-Lite:用于简单、低吞吐量的内存映射通信(例如，与控制寄存器和状态寄存器之间的通信)。可以理解为青春版AXI。
• AXI4-Stream:用于高速流数据（实际上，他并没有内存映射能力）而这往往又是摄像头等高速数据流的输入格式，所以后面会单独讲这个协议。

AXI读写通道

AXI协议中，有5条读写通道：

• 2条有关读的通道
  • read address 读地址
  • read data 读数据（与读响应合并）
• 3 条有关写的通道
  • write address 写地址
  • write data 写数据
  • write response 写响应

​ 之所以把他们称为“通道”，是因为在每一个通道处都会有一组独立的valid和ready信号，只有在时钟上升沿时，且这两个信号都为高的时候才会进行信息的传输。

​ 那么，现在可以带着**为什么读响应和读数据能合并，写通道不能？和这valid和ready信号究竟要怎么握手？**这两个问题进行下面的介绍：

AXI读过程

在AXI中发起一次读需要在2个读通道上进行传输:

1. 首先，从读地址(AR)通道,由主机告诉从机从什么地址开始读,读多少个数据(burst)
2. 这个地址的数据在读数据通道上从从机传输到主机。

AXI写过程

在AXI中发起一次写需要在3个写通道上进行传输:

1. 首先，从写地址(AW)通道,由主机告诉从机从什么地址开始写,写多少个数据(burst)
2. 这个地址的数据在写数据通道上从主机传输到从机。
3. 最后，传输结束时在写响应通道上的发送写响应,从从机发送到主机，以指示传输是否成功。

​ 所以在这里我们就可以看到,在AXI读过程中,由于读数据的方向是从机到主机,所以主机一方面可以通过读的数量来看传输是否成功,另一方面,由方向上,读响应也可以随着数据发给主机。但是写通道的方向是主机到从机，所以必须多一条写响应通道。

单一通道的握手

​ 如无特殊说明，valid指发送端，ready指接收端。

​ 在通道中，需要valid和ready同时拉高才能传输信息，总体原则是谁没到就等谁。所以由valid和ready置高的先后顺序，有三种情况：

VALID 信号先到

​ 此时，valid信号已经有效，所以信息线上的数据也是有效的了，但是接收端说我有点别的事要干，你先等会，即T2时刻才刚拉高，所以信息传输就发生在T2-T3，在T3时刻，发送端发现接收端已经把数据读走了便把valid拉低了。

​ 但实际上，这个图只画了burst_length=1的时候，实际上如果burst_length不是1的话，这里两个标志线还会继续维持下去知道数据传输结束，这也是下面AXI-Lite代码中所没能讲到的。

READY信号先到

​ 此时，接收端说我已经准备好了，你赶紧来。等发送端缓过气来，即T2时刻才刚拉高，所以信息传输就发生在T2-T3，发送端感知到接收端已经把数据读走了便把valid拉低了。

​ 这里也需要注意，这个图也只画了burst_length=1的时候。

READY和VALID同时到达

​ 同时到达就很开心了，等到下一个时钟上升沿 T2，传输就完成了。

原则性问题

​ 这里还有一个最后的问题，**到底应该谁来发起一次读写？**毫无疑问，那应该是发送端。

​ 所以在握手的过程中，发送端的valid信号不能依赖接收端的ready信号，不然有可能两边都不拉高，直接死锁

​ 而且，一旦valid被拉高了，直到完成握手只能一直置位，不能左右横跳，即接收端不需要考虑发送方撤销传输的可能。

​ 但是，ready信号的状态可以依赖于valid信号，协议没有规定 READY 信号默认状态，即未进行传输时的电平状态。

除了上面这些比较关键的之外，还有几个比较重要的小细节：

1. 在写入中，写入响应必须始终紧跟它所属的最后一个写入传输
2. 读取的数据必须始终跟在数据所关联的地址之后
3. slave必须等待ARVALID和ARREADY都被断言，然后才拉高RVALID，以表明有效的数据可用
4. 协议建议 AW/AR READY 信号（这里 AW/AR 指的是读写地址通道的 READY 信号）的默认电平为高电平。

AXI-Lite总线实现解析

​ 下面，我们会解析xilinx官方的AXI-Lite实现，从代码的角度解析每一通道的握手过程。

生成一个AXI(-Lite)外设

​ 在Vivado中，可以通过生成ip的方式来建立AXI协议的外设，具体操作如下：

1. Vivado中，点Tools-> Create and Package New IP:

   

2. 简介面Next掉,然后选择创建AXI4 外设,Next:

   

3. 进入外设细节面,填好信息,Next:

   

4. 进入到添加接口界面,默认就是AXI-Lite了,可以什么都不改,直接下一步:

   

5. 再最后一步中,直接选择Edit IP,进入修改界面:

   

   6. 如果以后再想修改的话,可以通过IP Catalog,找到创建的IP,右键选择Edit IP就可以了.

      

整体端口信号解析

​ 进入编辑工程后,找到xxxx_S00_AXI.v找到接口实现模块,就是接下来的重点了。

​ 首先，我们先梳理一下模块中的输入输出信号，为了更好的识别出各个通道，我这里已经帮大家用不同的颜色标注好了：

可见，在每一条通道中基本会有主要信息，辅助信息？，和两个握手信号。其中，辅助信息这个概念是我瞎掰的，主要为了后面好讲每一个通道的独特之处。下面，先从写过程开始介绍：

A(ddr)W(rite)通道

端口说明如下：

端口名	I/O	说明
S_AXI_AWADDR	input	Write address (issued by master, accepted by Slave)
S_AXI_AWPROT	input	Write channel Protection type. This signal indicates the privilege and security level of the transaction, and whether the transaction is a data access or an instruction access.
S_AXI_AWVALID	input	Write address valid. This signal indicates that the master signaling valid write address and control information.
S_AXI_AWREADY	output	Write address ready. This signal indicates that the slave is ready to accept an address and associated control signals.

握手S_AXI_AWREADY,S_AXI_AWVALID

握手信号，在这里我们可以参考官方文档的握手流程（取了AXI 3的，对AW通道一致）：

先扫一眼代码，注意en和ready的关系：

// I/O Connections assignments
assign S_AXI_AWREADY	= axi_awready;always @( posedge S_AXI_ACLK )
beginif ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )beginaxi_awready <= 1'b0;		//  协议readyaw_en <= 1'b1;			//  模块readyend elsebegin    if (~axi_awready && S_AXI_AWVALID && S_AXI_WVALID && aw_en)begin// slave is ready to accept write address when // there is a valid write address and write data// on the write address and data bus. This design // expects no outstanding transactions. axi_awready <= 1'b1;aw_en <= 1'b0;endelse if (S_AXI_BREADY && axi_bvalid)	// 写回应结束,模块内恢复readybeginaxi_awready <= 1'b0;aw_en <= 1'b1;endelse           beginaxi_awready <= 1'b0;endend 
end      

可见代码基本符合流程图。可以看到en和ready的关系如下，后面会有大量类似的写法：

• en=1,axi_awready=0，可以通信/结束通信，等待valid
• en=0,axi_awready=1，建立通信，拉高ready

地址锁存 AW_addr

注意,这里做的是latch:

而且,注意对比判断逻辑块:

• ~axi_awready && S_AXI_AWVALID && S_AXI_WVALID && aw_en

和上面的ready是同时判断的,所以在ready给出的同时,地址已经锁存好了.

// Implement axi_awaddr latching
// This process is used to latch the address when both 
// S_AXI_AWVALID and S_AXI_WVALID are valid. always @( posedge S_AXI_ACLK )
beginif ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )beginaxi_awaddr <= 0;end elsebegin    if (~axi_awready && S_AXI_AWVALID && S_AXI_WVALID && aw_en)begin// Write Address latching axi_awaddr <= S_AXI_AWADDR;endend 
end  

S_AXI_AWPROT

辅助信息?稍微检索可以得知，在xilinx中并没有实现这一项，翻看ARM官方文档有：

AXI provides access permissions signals that can be used to protect against illegal transactions:

• ARPROT[2:0] defines the access permissions for read accesses.
• AWPROT[2:0] defines the access permissions for write accesses.

The term AxPROT refers collectively to the ARPROT and AWPROT signals.

即这个信号是用来做权限管理的,具体定义如下:

由于这是入门篇,这里就先挖坑不讲了,有兴趣的小伙伴可以看看手册的A4.7节。这里还需要注意到，读地址通道的辅助信息也是这个噢。

W(rite)写通道

端口如下（为了篇幅不过长，这里就省了描述了）：

• 主要信号S_AXI_WDATA
• 辅助信号S_AXI_WSTRB，做掩码
• 握手信号S_AXI_WVALID，S_AXI_WREADY

S_AXI_WVALID，S_AXI_WREADY握手信号

同样地，我们看官方文档的握手流程（取了AXI 3的，对W通道一致）：

// I/O Connections assignments
assign S_AXI_WREADY	= axi_wready;always @( posedge S_AXI_ACLK )
beginif ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )beginaxi_wready <= 1'b0;end elsebegin    if (~axi_wready && S_AXI_WVALID && S_AXI_AWVALID && aw_en )begin// slave is ready to accept write data when // there is a valid write address and write data// on the write address and data bus. This design // expects no outstanding transactions. axi_wready <= 1'b1;endelsebeginaxi_wready <= 1'b0;endend 
end       

可见，其中也运用了上面AW通道中类似ready和en的写法。

S_AXI_WDATA数据写入

这里可以先看简单版(无S_AXI_WSTRB),比较容易懂，完整代码在后面:

assign slv_reg_wren = axi_wready && S_AXI_WVALID && axi_awready && S_AXI_AWVALID;always @( posedge S_AXI_ACLK )
beginif ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )beginslv_reg0 <= 0;slv_reg1 <= 0;slv_reg2 <= 0;slv_reg3 <= 0;end else beginif (slv_reg_wren)begincase ( axi_awaddr[ADDR_LSB+OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB] )2'h0:slv_reg0 <= S_AXI_WDATA;2'h1:slv_reg1 <= S_AXI_WDATA; 2'h2:slv_reg2 <= S_AXI_WDATA;2'h3:slv_reg3 <= S_AXI_WDATA;default : beginslv_reg0 <= slv_reg0;slv_reg1 <= slv_reg1;slv_reg2 <= slv_reg2;slv_reg3 <= slv_reg3;endendcaseendend
end    

AXI地址解析

可以看到，这里基本就是在通道建立后，做一个选择器，那问题来了，为什么是这两位呢?：

axi_awaddr[ADDR_LSB+OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB]

首先,在AXI总线中,一个地址指一个字节

回顾代码,关于地址部分:

// Example-specific design signals
// local parameter for addressing 32 bit / 64 bit C_S_AXI_DATA_WIDTH
// ADDR_LSB is used for addressing 32/64 bit registers/memories
// ADDR_LSB = 2 for 32 bits (n downto 2)
// ADDR_LSB = 3 for 64 bits (n downto 3)
localparam integer ADDR_LSB = (C_S_AXI_DATA_WIDTH/32) + 1;
localparam integer OPT_MEM_ADDR_BITS = 1;

所以针对ADDR_LSB,可以看到:

• ADDR_LSB = 0,每次+1,地址+1,跨1字节8位
• ADDR_LSB = 1,每次+1,地址+2,跨1字节16位
• ADDR_LSB = 2,每次+1,地址+4,跨1字节32位
• ADDR_LSB = 3,每次+1,地址+8,跨1字节64位

而对应OPT_MEM_ADDR_BITS,因为我们只有4个32位的寄存器,只要两条地址线,所以OPT_MEM_ADDR_BITS=1。

而写入过程完整代码如下(不用看,下面有S_AXI_WSTRB解析):

assign slv_reg_wren = axi_wready && S_AXI_WVALID && axi_awready && S_AXI_AWVALID;always @( posedge S_AXI_ACLK )
beginif ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )beginslv_reg0 <= 0;slv_reg1 <= 0;slv_reg2 <= 0;slv_reg3 <= 0;end else beginif (slv_reg_wren)begincase ( axi_awaddr[ADDR_LSB+OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB] )2'h0:for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 )if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin// Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 0slv_reg0[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8];end  2'h1:for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 )if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin// Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 1slv_reg1[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8];end  2'h2:for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 )if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin// Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 2slv_reg2[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8];end  2'h3:for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 )if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin// Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 3slv_reg3[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8];end  default : beginslv_reg0 <= slv_reg0;slv_reg1 <= slv_reg1;slv_reg2 <= slv_reg2;slv_reg3 <= slv_reg3;endendcaseendend
end    

S_AXI_WSTRB

我们上面说到，在AXI总线中,一个地址指一个字节，但是如果并不是32位都是有效的怎么办呢？

如果我寄存器只有8位或者16位，但是AXI-Lite只能是32位或者64位，那咋办呢？

所以在写通道中就有一个类似 掩码的功能，用来指示什么数据是有效的，具体解析见下：

实际的代码逻辑其实已经在上面了,以slv_reg0为例:

for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 )if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin// Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 0slv_reg0[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8];end  

那么我们代入C_S_AXI_DATA_WIDTH = 32,并且拆开for循环:

// slv_reg0[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8];
// byte_index = 0
if ( S_AXI_WSTRB[0] == 1 ) begin// slv_reg0[(0 +: 8] <= S_AXI_WDATA[(0*8) +: 8];slv_reg0[7:0] <= S_AXI_WDATA[7:0];end// byte_index = 1
if ( S_AXI_WSTRB[1] == 1 ) begin// slv_reg0[(8 +: 8] <= S_AXI_WDATA[(1*8) +: 8];slv_reg0[15:8] <= S_AXI_WDATA[15:8];end// byte_index = 2
if ( S_AXI_WSTRB[2] == 1 ) begin// slv_reg0[(16 +: 8] <= S_AXI_WDATA[(2*8) +: 8];slv_reg0[23:16] <= S_AXI_WDATA[23:16];end// byte_index = 3
if ( S_AXI_WSTRB[3] == 1 ) begin// slv_reg0[(24 +: 8] <= S_AXI_WDATA[(3*8) +: 8];slv_reg0[31:24] <= S_AXI_WDATA[31:24];end

我觉得已经详细到不需要解释了，关注+：和-：的用法，可以查看本人博客一些Verilog的小东西(2)

写响应通道

端口信号:

Port name	Direction	Type
S_AXI_BRESP	output	wire [1 : 0]
S_AXI_BVALID	output	wire
S_AXI_BREADY	input	wire

S_AXI_BVALID,S_AXI_BRESP握手信号及其响应

此时需要注意,AXI3和AXI4对于写响应通道的握手流程是不一致的,这里取最新的AXI4:

代码其实还是换汤不换药:

// I/O Connections assignments
assign S_AXI_BRESP	= axi_bresp;
assign S_AXI_BVALID	= axi_bvalid;always @( posedge S_AXI_ACLK )
beginif ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )beginaxi_bvalid  <= 0;axi_bresp   <= 2'b0;end elsebegin    if (axi_awready && S_AXI_AWVALID && ~axi_bvalid && axi_wready && S_AXI_WVALID)begin// indicates a valid write response is availableaxi_bvalid <= 1'b1;axi_bresp  <= 2'b0; // 'OKAY' response end                   // work error responses in futureelsebeginif (S_AXI_BREADY && axi_bvalid) //check if bready is asserted while bvalid is high) //(there is a possibility that bready is always asserted high)   beginaxi_bvalid <= 1'b0; end  endend
end   

我们可以来看看,响应信号的具体含义:

这里由于我们简单介绍一下含义就算了，具体为什么会有这个机制可以看看手册A3.4.4和A7.2.这篇中我们主要介绍通道的握手通信，这里就不展开了。

那么接下来,就到读过程了

A(ddr)R(ead)读地址通道

握手S_AXI_ARREADY,地址写入S_AXI_ARADDR

读地址通道,到这里了,大家应该看到代码基本都是类似的，见于文档:

// I/O Connections assignments
assign S_AXI_ARREADY	= axi_arready;always @( posedge S_AXI_ACLK )
beginif ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )beginaxi_arready <= 1'b0;axi_araddr  <= 32'b0;end elsebegin    if (~axi_arready && S_AXI_ARVALID)begin// indicates that the slave has acceped the valid read addressaxi_arready <= 1'b1;// Read address latchingaxi_araddr  <= S_AXI_ARADDR;endelsebeginaxi_arready <= 1'b0;endend 
end

辅助信息 S_AXI_ARPROT

​ 见于S_AXI_AWPROT,一致的,这里也不需要给。

读R(ead)通道&&读响应通道

这里要注意到,读通道和读响应通道是合并了的,所以读通道的辅助信息理所当然就是响应信号啦。

握手及响应信号S_AXI_RVALID，S_AXI_RRESP

握手过程见官方文档：

// I/O Connections assignments
assign S_AXI_RRESP	= axi_rresp;
assign S_AXI_RVALID	= axi_rvalid;always @( posedge S_AXI_ACLK )
beginif ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )beginaxi_rvalid <= 0;axi_rresp  <= 0;end elsebegin    if (axi_arready && S_AXI_ARVALID && ~axi_rvalid)begin// Valid read data is available at the read data busaxi_rvalid <= 1'b1;axi_rresp  <= 2'b0; // 'OKAY' responseend   else if (axi_rvalid && S_AXI_RREADY)begin// Read data is accepted by the masteraxi_rvalid <= 1'b0;end                end
end    

基本上都是一致的流程了，注意S_AXI_RRESP响应与写响应通道中的S_AXI_BRESP含义是一致的。

S_AXI_RDATA数据交互

这里也是基本的数据选择器，根据地址给数据就完事了。

// I/O Connections assignments
assign S_AXI_RDATA	= axi_rdata;
// Implement memory mapped register select and read logic generation
// Slave register read enable is asserted when valid address is available
// and the slave is ready to accept the read address.
assign slv_reg_rden = axi_arready & S_AXI_ARVALID & ~axi_rvalid;
always @(*)
begin// Address decoding for reading registerscase ( axi_araddr[ADDR_LSB+OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB] )2'h0   : reg_data_out <= slv_reg0;2'h1   : reg_data_out <= slv_reg1;2'h2   : reg_data_out <= slv_reg2;2'h3   : reg_data_out <= slv_reg3;default : reg_data_out <= 0;endcase
end// Output register or memory read data
always @( posedge S_AXI_ACLK )
beginif ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )beginaxi_rdata  <= 0;end elsebegin    // When there is a valid read address (S_AXI_ARVALID) with // acceptance of read address by the slave (axi_arready), // output the read dada if (slv_reg_rden)beginaxi_rdata <= reg_data_out;     // register read dataendend
end

这里的地址解析和上文中的AXI地址解析也是一致的。

小结

主要介绍了一下几点：

• AXI大概是啥，通道大致有啥
• AXI各个通道中的握手过程
• AXI-Lite的接口代码分析

下一节中，我们会仿真，以及做一些结合ZYNQ-PS端的小应用，看看怎么仿和怎么用。后面介绍完完整AXI后再讲怎么接入。

参考资料

深入 AXI4 总线（O）专栏目录与资料集合–知乎ligibbs

赛灵思家的AXI-Base博客系列

ARM家AXI官方文档

一些Verilog的小东西(2),+:和-:的用法

如果你觉得有一点收获的话

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