AXI4总线协议
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。
- 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
关键特点：
- 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
| 信号名 | 源 | 描述 |
| ACLK | 时钟源 | 全局时钟信号 |
| ARESETn | 复位源 | 全局复位信号，低有效 |
表 2-2 写地址通道信号
| 信号名 | 源 | 描述 |
| AWID | 主机 | 写地址ID，用来标志一组写信号 |
| AWADDR | 主机 | 写地址，给出一次写突发传输的写地址 |
| AWLEN | 主机 | 突发长度，给出突发传输的次数 |
| AWSIZE | 主机 | 突发大小，给出每次突发传输的字节数 |
| AWBURST | 主机 | 突发类型 |
| AWLOCK | 主机 | 总线锁信号，可提供操作的原子性 |
| AWCACHE | 主机 | 内存类型，表明一次传输是怎样通过系统的 |
| AWPROT | 主机 | 保护类型，表明一次传输的特权级及安全等级 |
| AWQOS | 主机 | 质量服务QoS |
| AWREGION | 主机 | 区域标志，能实现单一物理接口对应的多个逻辑接口 |
| AWUSER | 主机 | 用户自定义信号 |
| AWVALID | 主机 | 有效信号，表明此通道的地址控制信号有效 |
| AWREADY | 从机 | 表明“从”可以接收地址和对应的控制信号 |
表 2-3 写数据通道信号
| 信号名 | 源 | 描述 |
| WID | 主机 | 一次写传输的ID tag |
| WDATA | 主机 | 写数据 |
| WSTRB | 主机 | 写数据有效的字节线，用来表明哪8bits数据是有效的 |
| WLAST | 主机 | 表明此次传输是最后一个突发传输 |
| WUSER | 主机 | 用户自定义信号 |
| WVALID | 主机 | 写有效，表明此次写有效 |
| WREADY | 从机 | 表明从机可以接收写数据 |
表 2-4 写响应通道信号
| 信号名 | 源 | 描述 |
| BID | 从机 | 写响应ID tag |
| BRESP | 从机 | 写响应，表明写传输的状态 |
| BUSER | 从机 | 用户自定义 |
| BVALID | 从机 | 写响应有效 |
| BREADY | 主机 | 表明主机能够接收写响应 |
表 2-5 读地址通道信号
| 信号名 | 源 | 描述 |
| ARID | 主机 | 读地址ID，用来标志一组写信号 |
| ARADDR | 主机 | 读地址，给出一次写突发传输的读地址 |
| ARLEN | 主机 | 突发长度，给出突发传输的次数 |
| ARSIZE | 主机 | 突发大小，给出每次突发传输的字节数 |
| ARBURST | 主机 | 突发类型 |
| ARLOCK | 主机 | 总线锁信号，可提供操作的原子性 |
| ARCACHE | 主机 | 内存类型，表明一次传输是怎样通过系统的 |
| ARPROT | 主机 | 保护类型，表明一次传输的特权级及安全等级 |
| ARQOS | 主机 | 质量服务QoS |
| ARREGION | 主机 | 区域标志，能实现单一物理接口对应的多个逻辑接口 |
| ARUSER | 主机 | 用户自定义信号 |
| ARVALID | 主机 | 有效信号，表明此通道的地址控制信号有效 |
| ARREADY | 从机 | 表明“从”可以接收地址和对应的控制信号 |
表 2-6 读数据通道信号
| 信号名 | 源 | 描述 |
| RID | 从机 | 读ID tag |
| RDATA | 从机 | 读数据 |
| RRESP | 从机 | 读响应，表明读传输的状态 |
| RLAST | 从机 | 表明读突发的最后一次传输 |
| RUSER | 从机 | 用户自定义 |
| RVALID | 从机 | 表明此通道信号有效 |
| RREADY | 主机 | 表明主机能够接收读数据和响应信息 |
表 2-7 低功耗接口信号
| 信号名 | 源 | 描述 |
| CSYSREQ | 时钟控制器 | 系统退出低功耗请求，此信号从“时钟控制器”到“外设” |
| CSYSACK | 外设 | 退出低功耗状态确认 |
| CACTIVE | 外设 | 外设请求时钟有效 |
3.信号接口要求
3.1时钟复位
时钟
每个AXI组件使用一个时钟信号ACLK，所有输入信号在ACLK上升沿采样，所有输出信号必须在ACLK上升沿后发生。
复位
AXI使用一个低电平有效的复位信号ARESETn，复位信号可以异步断言，但必须和时钟上升沿同步去断言。
复位期间对接口有如下要求：①主机接口必须驱动ARVALID，AWVALID，WVALID为低电平；②从机接口必须驱动RVALID，BVALID为低电平；③所有其他信号可以被驱动到任意值。
在复位后，主机可以在时钟上升沿驱动ARVALID，AWVALID，WVALID为高电平。
3.2基本读写传输
握手过程
5个传输通道均使用VALID/READY信号对传输过程的地址、数据、控制信号进行握手。使用双向握手机制，传输仅仅发生在VALID、READY同时有效的时候。下图是几种握手机制：
图 3-1 VALID before READY 握手
图 3-2 READY before VALID 握手
图 3-3 VALID with READY 握手
通道信号要求
通道握手信号：每个通道有自己的xVALID/xREADY握手信号对。
写地址通道：当主机驱动有效的地址和控制信号时，主机可以断言AWVALID，一旦断言，需要保持AWVALID的断言状态，直到时钟上升沿采样到从机的AWREADY。AWREADY默认值可高可低，推荐为高（如果为低，一次传输至少需要两个周期，一个用来断言AWVALID，一个用来断言AWREADY）；当AWREADY为高时，从机必须能够接受提供给它的有效地址。
写数据通道：在写突发传输过程中，主机只能在它提供有效的写数据时断言WVALID，一旦断言，需要保持断言状态，知道时钟上升沿采样到从机的WREADY。WREADY默认值可以为高，这要求从机总能够在单个周期内接受写数据。主机在驱动最后一次写突发传输是需要断言WLAST信号。
写响应通道：从机只能它在驱动有效的写响应时断言BVALID，一旦断言需要保持，直到时钟上升沿采样到主机的BREADY信号。当主机总能在一个周期内接受写响应信号时，可以将BREADY的默认值设为高。
读地址通道：当主机驱动有效的地址和控制信号时，主机可以断言ARVALID，一旦断言，需要保持ARVALID的断言状态，直到时钟上升沿采样到从机的ARREADY。ARREADY默认值可高可低，推荐为高（如果为低，一次传输至少需要两个周期，一个用来断言ARVALID，一个用来断言ARREADY）；当ARREADY为高时，从机必须能够接受提供给它的有效地址。
读数据通道：只有当从机驱动有效的读数据时从机才可以断言RVALID，一旦断言需要保持直到时钟上升沿采样到主机的BREADY。BREADY默认值可以为高，此时需要主机任何时候一旦开始读传输就能立马接受读数据。当最后一次突发读传输时，从机需要断言RLAST。
通道间关系
AXI协议要求通道间满足如下关系：
- 写响应必须跟随最后一次burst的的写传输
- 读数据必须跟随数据对应的地址
- 通道握手信号需要确认一些依耐关系
通道握手信号的依耐关系
为防止死锁，通道握手信号需要遵循一定的依耐关系。①VALID信号不能依耐READY信号。②AXI接口可以等到检测到VALID才断言对应的READY，也可以检测到VALID之前就断言READY。下面有几个图表明依耐关系，单箭头指向的信号能在箭头起点信号之前或之后断言；双箭头指向的信号必须在箭头起点信号断言之后断言。
图 3-4 读传输握手依耐关系
图 3-5 写传输握手依耐关系
图 3-6 从机写响应握手依耐关系
3.3传输结构
地址结构
AXI协议是基于burst的，主机只给出突发传输的第一个字节的地址，从机必须计算突发传输后续的地址。突发传输不能跨4KB边界（防止突发跨越两个从机的边界，也限制了从机所需支持的地址自增数）。
1）突发长度
ARLEN[7:0]决定读传输的突发长度，AWLEN[7:0]决定写传输的突发长度。AXI3只支持1~16次的突发传输（Burst_length=AxLEN[3:0]+1），AXI4扩展突发长度支持INCR突发类型为1~256次传输，对于其他的传输类型依然保持1~16次突发传输（Burst_Length=AxLEN[7:0]+1）。
burst传输具有如下规则：
- wraping burst ,burst长度必须是2,4,8,16
- burst不能跨4KB边界
- 不支持提前终止burst传输
所有的组件都不能提前终止一次突发传输。然而，主机可以通过解断言所有的写的strobes来使非所有的写字节来减少写传输的数量。读burst中，主机可以忽略后续的读数据来减少读个数。也就是说，不管怎样，都必须完成所有的burst传输。
注：对于FIFO，忽略后续读数据可能导致数据丢失，必须保证突发传输长度和要求的数据传输大小匹配。
突发大小
ARSIZE[2:0],读突发传输；AWSIZE[2:0],写突发传输。
AxSIZE[2:0] bytes in transfer
‘b000 1
‘b001 2
‘b010 4
‘b011 8
‘b100 16
‘b101 32
‘b110 64
‘b111 128
突发类型
FIXED：突发传输过程中地址固定，用于FIFO访问
INCR：增量突发，传输过程中，地址递增。增加量取决AxSIZE的值。
WRAP：回环突发，和增量突发类似，但会在特定高地址的边界处回到低地址处。回环突发的长度只能是2,4,8,16次传输，传输首地址和每次传输的大小对齐。最低的地址整个传输的数据大小对齐。回环边界等于（AxSIZE*AxLEN）。
AxBURST[1:0] burst type
‘b00 FIXED
‘b01 INCR
‘b10 WRAP
‘b11 Reserved
Start_Address=AxADDR
Number_Bytes=2^AxSIZE
Burst_Length=AxLEN+1
Aligned_Addr=（INT（Start_Address/Number_Bytes))xNumber_Bytes。//INT表示向下取整。
对于INCR突发和WRAP突发但没有到达回环边界，地址由下述方程决定：
Address_N=Aligned_Address+(N-1)xNumber_Bytes
WRAP突发，突发边界：
Wrap_Boundary=(INT(Start_Address/(Number_Bytes x Burst_Length)))x(Number_Bytes x Burst_Length)
数据读写结构
WSTRB[n:0]对应于对应的写字节，WSTRB[n]对应WDATA[8n+7:8n]。WVALID为低时，WSTRB可以为任意值，WVALID为高时，WSTRB为高的字节线必须指示有效的数据。
窄传输
当主机产生比它数据总线要窄的传输时，由地址和控制信号决定哪个字节被传输：
INCR和WRAP，不同的字节线决定每次burst传输的数据，FIXED，每次传输使用相同的字节线。
下图给出了5次突发传输，起始地址为0，每次传输为8bit，数据总线为32bit，突发类型为INCR。
图 3-7 窄传输示例1
下图给出3次突发，起始地址为4，每次传输32bit，数据总线为64bit。
图 3-8 窄传输示例2
非对齐传输
AXI支持非对齐传输。在大于一个字节的传输中，第一个自己的传输可能是非对齐的。如32-bit数据包起始地址在0x1002，非32bit对齐。
主机可以①使用低位地址线来表示非对齐的起始地址；②提供对齐的起始地址，使用字节线来表示非对齐的起始地址。
图 3-9 对齐非对齐传输示例1-32bit总线
图 3-10 对齐非对齐传输示例2-64bit总线
图 3-11 对齐的回环传输示例
读写响应结构
读传输的响应信息是附加在读数据通道上的，写传输的响应在写响应通道。
RRESP[1:0],读传输
BRESP[1:0],写传输
OKAY(‘b00):正常访问成功
EXOKAY(‘b01):Exclusive 访问成功
SLVERR(‘b10):从机错误。表明访问已经成功到了从机，但从机希望返回一个错误的情况给主机。
DECERR(‘b11):译码错误。一般由互联组件给出，表明没有对应的从机地址。