关于 AXI协议的学习解释说明

AXI（Advanced eXtensible Interface）是一种总线协议，该协议是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）3.0协议中最重要的部分，是一种面向高性能、高带宽、低延迟的片内总线。它的地址/控制和数据相位是分离的，支持不对齐的数据传输，同时在突发传输中，只需要首地址，同时分离的读写数据通道、并支持Outstanding传输访问和乱序访问，并更加容易进行时序收敛。

AXI的特点

单向通道体系结构。信息流只以单方向传输，简化时钟域间的桥接，减少门数量。当信号经过复杂的片上系统时，减少延时。

支持多项数据交换。通过并行执行猝发操作，极大地提高了数据吞吐能力，可在更短的时间内完成任务，在满足高性能要求的同时，又减少了功耗。

独立的地址和数据通道。地址和数据通道分开，能对每一个通道进行单独优化，可以根据需要控制时序通道，将时钟频率提到最高，并将延时降到最低。

增强的灵活性。AXI技术拥有对称的主从接口，无论在点对点或在多层系统中，都能十分方便地使用AXI技术。

AXI总线还定义了在进出低功耗节电模式前后的握手协议，规定如何通知进入低功耗模式，何时关断时钟，何时开启时钟，如何退出低功耗模式。这使得所有IP在进行功耗控制的设计时，有据可依，容易集成在统一的系统中。​

总之，AXI 能够使SoC 以更小的面积、更低的功耗，获得更加优异的性能。AXI获得如此优异性能的一个主要原因，就是它的单向通道体系结构。单向通道体系结构使得片上的信息流只以单方向传输，减少了延时。

AXI的工作模式

A. 握手机制

AXI所采用的是一种READY，VALID握手通信机制，即主从模块进行数据通信前，新根据操作对各所用到的数据、地址通道进行握手。主要操作包括传输发送者A等到传输接受者B的READY信号后，A将数据与VALID信号同时发送给B。根据READY和VALID拉高的先后顺序，可分为如下3种情况：

Valid before Ready handshake

Ready before Valid handshake

Valid with Ready handshake

每个channel内的valid和ready之间没有严格的先后顺序，但是channel间的valid和ready信号有依赖关系。对于读操作，spec要求读data必须出现在读addr之后，因此读操作的两个channel之间存在如下的依赖关系，即必须等到ARVALID和ARREADY同时为High后，RVALID才能拉高。 

 

Read transaction handshake dependencies

对于写操作，addr和data两个channel之间不存在依赖关系，但是只能等最后一次transfer结束后，才能拉高BVALID。从下图中看不出AWVLAID, AWREAY与BVALID之间的关系，但是，隐含条件是slave只有接收到addr和data后，才能做出响应，因此AWAVLID， AWREADY为High，且最后一次transfer结束后才能拉高BVALID.

 

Write transaction handshake dependencies

B. axi总线的五个通道：

• 读地址通道，包含ARVALID, ARADDR, ARREADY信号；
• 写地址通道，包含AWVALID，AWADDR, AWREADY信号；
• 读数据通道，包含RVALID, RDATA, RREADY, RRESP信号；
• 写数据通道，包含WVALID, WDATA，WSTRB, WREADY信号；
• 写应答通道，包含BVALID, BRESP, BREADY信号；

另外，还有两个global signal，ACLK，ARESETN信号；

其中ACLK为axi总线时钟，仅上升沿有效，ARESETN是axi总线复位信号，低电平有效，异步复位同步释放；所有master和slave共用ACLK和ARESETn。

READY与VALID是对应的通道握手信号；WSTRB信号为1的bit对应WDATA有效数据字节，WSTRB宽度是32bit/8=4bit；BRESP与RRESP分别为写回应信号，读回应信号，宽度都为2bit，‘h0代表成功，其他为错误。

a. 读操作：

顺序

• 主与从进行读地址通道握手并传输地址内容，
• 读数据通道握手并传输所读内容以及读取操作的回应。

对于读操作，slave必须先知道master想要读取的地址，因此，slave必须先接收到command后再回数据。normal的操作如图所示：

Channel architecture of READ TRANSACTION

 

READ Burst

b. 写操作：

顺序

• 主与从进行写地址通道握手并传输地址内容，
• 写数据通道握手并传输所读内容，
• 写回应通道握手，并传输写回应数据。

对于写操作，command和数据都是master发给slave的，因此command和data没有顺序，可以先发command，再发data，也可以先发data，在发送data过程中发送command。normal的操作如图所示：

Channel architecture of writeTRANSACTION

Write Burst

 

什么是支持 outstanding
Outstanding 支持的多少是需要设定的。举个例子，如果 outstanding设为5，对于写来说，可以连续发送5个写操作而不用等待bresponse的响应，否则必须等待有一个responese回来才能发送下一个写操作，对于读来说，是通过rlast信号来看是否有respone，也类似于写操作；也就是说，如果没有respone的操作超过了outstanding的值，则会通过拉低响应的ready信号，从而不能发送有效操作；

三、 各个通道的时序关系：
1、读地址通道：
output [0: 0]  master_axi_arid;    // axi read command ID
output [35: 0] master_axi_araddr;  // axi read command address
output [3：0]  master_axi_arlen;   // axi encoded read command length
output [2：0]  master_axi_arsize;  // axi encoded read command size
output [1：0]  master_axi_arburst; // axi read command burst type.
output [1：0]  master_axi_arlock;  // axi atomic access indicator
output [3：0]  master_axi_arcache; // axi cache control os for the read.
output [2：0]  master_axi_arprot;  // axi read command protection type.
output         master_axi_arvalid; // axi read command valid indicator.
input          master_axi_arready; // indicates that axi is ready  to accept the read command.
2、读数据通道：
Input [0:0]    master_axi_rid;     // axi read data ID.
Input [255:0]  master_axi_rdata ;  // axi read data.
Input [1:0]    master_axi_rresp ;  // aix read data response a response is sent with each burst indicating the status of the burst.   
input          master_axi_rlast;   // Indicates that this is the final world of the data for the command.
input          master_axi_rvalid;  // axi read data valid indicator.
output         master_axi_rready;  // indicates that the axi master is ready to accept read data.

4.写地址通道：
output [ 0: 0]  master_axi_awid;    // axi write command ID
output [35: 0]  master_axi_awaddr;  // axi write command address
output [ 3：0]  master_axi_awlen;   // axi encoded write command length
output [ 2：0]  master_axi_awsize;  // axi encoded write command size
output [ 1：0]  master_axi_awburst; // axi write command burst type.
output [ 1：0]  master_axi_awlock;  // axi atomic access indicator
output [ 3：0]  master_axi_awcache; // axi cache control os for the read.
output [ 2：0]  master_axi_awprot;  // axi read command protection type.
output          master_axi_awprot;  // axi read command valid indicator.
input           master_axi_awready; // indicates that aix is ready  to accept the read command.
5.写数据通道：
output [  0:0]  master_axi_wid;      // axi write data ID.
output [255:0]  master_axi_wdata ;   // axi write data.
output [ 31:0]  master_axi_wstrb ;   // axi write data strobe.
output          master_axi_wlast;    // Indicates that this is the final world of the data for the command.
output          master_axi_wvalid;   // axi write data valid indicator.
input           master_axi_0_wready; // indicates that the axi master is ready to accept write data.
6.写响应通道：
input [0:0]     master_axi_bid;      // AXI write respone ID.
input [1:0]     master_axi_bresp;    // AXI write respone A responese is sent for the entire burst.
input           master_axi_bvalid;   // AXI write response valid indicator.
input           master_axi_bready;   // Indicates that the AXI master is ready to accepta write respone.

7.写地址、写数据、写响应的时序关系

四.传输顺序说明
AXI 协议可以完成按照固定顺序的传输操作，其通过接口给每一个传输操作一个ID标记，协议要求具有相同的ID标记的传输要按照指定顺序完成，但是不同的ID的传输可以不按照制定的顺序进行传输; 完成乱序传输的能力意味着可以完成向快速内存的传输，不用等待之前向慢速内存的传输，这样可以提高系统的性能，减少不必要的等待时间；