AXI总线的一些知识

 AXI-stream总线简介-LDD

本节介绍的AXI是个什么东西呢，它其实不属于Zynq，不属于Xilinx，而是属于ARM。它是ARM最新的总线接口，以前叫做AMBA，从3.0以后就称为AXI了。

Zynq是以ARM作为核心的，运行时也是第一个“醒”过来，然后找可执行代码，找到后进入FSBL（第一引导阶段），接着找配置逻辑部分的bit文件，找到后就叫醒PL按照bit中的方式运行，再接着找可执行代码，进入SSBL（第二引导阶段），这时就可以初始化操作系统的运行环境，引导像Linux这样的大型程序，随后将控制权交给Linux。Linux运行时可以跟PL进行数据交互。注意了，就在这时候，数据交互的通路，就是我们本节要讲的AXI总线。

说白了，AXI就是负责ARM与FPGA之间通信的专用数据通道。

ARM内部用硬件实现了AXI总线协议，包括9个物理接口，分别为AXI-GP0~AXI-GP3，AXI-HP0~AXI-HP3，AXI-ACP接口。如下图黄圈所示。

可以看到，只有两个AXI-GP是Master Port，即主机接口，其余7个口都是Slave Port（从机接口）。主机接口具有发起读写的权限，ARM可以利用两个AXI-GP主机接口主动访问PL逻辑，其实就是把PL映射到某个地址，读写PL寄存器如同在读写自己的存储器。其余从机接口就属于被动接口，接受来自PL的读写，逆来顺受。

这9个AXI接口性能也是不同的。GP接口是32位的低性能接口，理论带宽600MB/s，而HP和ACP接口为64位高性能接口，理论带宽1200MB/s。

有人会问，为什么高性能接口不做成主机接口呢？这样可以由ARM发起高速数据传输。答案是高性能接口根本不需要ARM CPU来负责数据搬移，真正的搬运工是位于PL中的DMA控制器。

 

位于PS端的ARM直接有硬件支持AXI接口，而PL则需要使用逻辑实现相应的AXI协议。Xilinx提供现成IP如AXI-DMA，AXI-GPIO，AXI-Datamover都实现了相应的接口，使用时直接从XPS的IP列表中添加即可实现相应的功能。

有时，用户需要开发自己定义的IP同PS进行通信，这时可以利用XPS向导生成对应的IP。xps中用户自定义IP核可以拥有AXI-Lite，AXI4，AXI-Stream，PLB和FSL这些接口。

后两种由于ARM这一端不支持，所以不用。

AXI-Lite具有轻量级，结构简单的特点，适合小批量数据、简单控制场合。不支持批量传输，读写时一次只能读写一个字（32bit）。

AXI4接口和AXI-Lite差不多，只是增加了一项功能就是批量传输，可以连续对一片地址进行一次性读写。

上面两种均采用内存映射控制方式，即ARM将用户自定义IP编入某一地址进行访问，读写时就像在读写自己的片内RAM，编程也很方便，开发难度较低。代价就是资源占用过多，需要额外的读地址线、写地址线、读数据线、写数据线、写应答线这些信号线。

 

另外一种AXI接口就是AXI-Stream，这是一种连续流接口，不需要地址线（很像FIFO，一直读或一直写就行）。对于这类IP，ARM不能通过上面的内存映射方式控制（FIFO根本没有地址的概念），必须有一个转换装置，例如AXI-DMA模块来实现内存映射到流式接口的转换。

       AXI-Stream适用的场合有很多：视频流处理；通信协议转换；数字信号处理；无线通信等。其本质都是针对数值流构建的数据通路，从信源（例如ARM内存、DMA、无线接收前端等）到信宿（例如HDMI显示器、音频输出等）构建起连续的数据流。这种接口适合做实时信号处理。

有了上面的这些官方IP和向导生成的自定义IP，用户其实不需要对AXI时序了解太多（除非确实遇到问题），因为Xilinx已经将和AXI时序有关的细节都封装起来，用户只需要关注自己的逻辑实现即可

 

AXI4-Stream协议是一种用来连接需要交换数据的两个部件的标准接口，它可以用于连接一个产生数据的主机和一个接受数据的从机。当然它也可以用于连接多个主机和从机。该协议支持多种数据流使用相同共享总线集合，允许构建类似于路由、宽窄总线、窄宽总线等更为普遍的互联。AXI4-Stream接口的信号线定义如图1所示^[1]。

 

比较重要的信号线有：

ACLK为时钟线，所有信号都在ACLK上升沿被采样；

ARESETn为复位线，低电平有效；

TVALID为主机数据同步线，为高表示主机准备好发送数据；

TREADY为从机数据同步线，为高表示从机准备好接收数据；这两根线完成了主机与从机的握手信号，一旦二者都变高有效，数据传输开始。

TDATA为数据线，主机发送，从机接收。

TKEEP为主机数据有效指示，为高代表对应的字节为有效字节，否则表示发送的为空字节。

TLAST为主机最后一个字指示，下一clk数据将无效，TVALID将变低。

TID，TDEST，TUSER均为多机通信时的信号，这里不涉及，不予考虑。

看到这里，可能大家都还对Stream没有一个直观的认识。其实Stream并不陌生，在我们学c++编程时，一定会包含，这样就可以完成控制终端对程序的输入输出了。如果还是不够直观，想象一下连续不断的水流，永远向着一个方向以固定的速度输送的接口。以我们看视频为例，视频文件本来是保存在硬盘里的，怎么播放呢，不能一下子把整个文件都显示到屏幕上，而是以一定的速度，连续不断地输出到屏幕上（每秒30~60帧），这个过程就是流Stream接口完成的。

Xilinx提供的流式IP核有很多用途，可以实现音频流、视频流、数据流到内存或者相反方向的传输。有人问了，内存是PS控制的，怎么才能把PS里DDR2的内容以Stream形式发出去呢（例如以固定速度送往DA，完成信号发生器的设计）？答案就是利用AXI总线做转换。ZYNQ的PS部分是ARM CortexA9系列，支持AXI4，AXI-Lite总线。PL部分也有相应AXI总线接口，这样就能完成PS到PL的互联。仅仅这样还不够，需要PL部分实现流式转换，即AXI-Stream接口实现。Xilinx提供的从AXI到AXI-Stream转换的IP核有：AXI-DMA，AXI-Datamover，AXI-FIFO-MM2S以及AXI-VDMA等。这些IP核可以在XPS的IP Catalog窗口中看到。

AXI-DMA：实现从PS内存到PL高速传输高速通道AXI-HP到AXI-Stream的转换；

AXI-FIFO-MM2S：实现从PS内存到PL通用传输通道AXI-GP到AXI-Stream的转换；

AXI-Datamover：实现从PS内存到PL高速传输高速通道AXI-HP到AXI-Stream的转换，只不过这次是完全由PL控制的，PS是完全被动的；

AXI-VDMA：实现从PS内存到PL高速传输高速通道AXI-HP到AXI-Stream的转换，只不过是专门针对视频、图像等二维数据的。

除了上面的还有一个AXI-CDMAIP核，这个是由PL完成的将数据从内存的一个位置搬移到另一个位置，无需CPU来插手。这个和我们这里用的Stream没有关系，所以不表。

这里要和大家说明白一点，就是AXI总线和接口的区别。总线是一种标准化接口，由数据线、地址线、控制线等构成，具有一定的强制性。接口是其物理实现，即在硬件上的分配。在ZYNQ中，支持AXI-Lite，AXI4和AXI-Stream三种总线，但PS与PL之间的接口却只支持前两种，AXI-Stream只能在PL中实现，不能直接和PS相连，必须通过AXI-Lite或AXI4转接。PS与PL之间的物理接口有9个，包括4个AXI-GP接口和4个AXI-HP接口、1个AXI-ACP接口，均为内存映射型AXI接口。

上面的IP是完成总线协议转换，如果需要做某些处理（如变换、迭代、训练……），则需要生成一个自定义Stream类型IP，与上面的Stream接口连接起来，实现数据输入输出。用户的功能在自定义Stream类型IP中实现。