Zynq中的AXI总线协议

1 AXI总线是什么

AXI(Advanced eXtensible Interface)是一种总线协议，该协议并非Xilinx公司提出的，而是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）3.0协议中最重要的部分。最新的AXI4总线于2010年在AMBA4.0版本中发布。

2 AXI分为几种类型

AXI4总线协议存在3中类型的接口分别为：
（1）AXI4：标准型AXI4总线类型，是一种面向地址映射的接口，支持突发传输数据，最大允许256个时钟周期的数据突发长度。该接口主要面向高性能地址映射通信的需求。
（2）AXI4-Lite：属于轻量级的地址映射单次传输接口，每次仅支持单次的数据传输，由于功能较少，所以占用的资源也较少，该协议适应于吞吐量较小的地址映射通信总线。
（3）AXI4-Stream：顾名思义，属于流媒体传输形式，该协议去掉了地址传输功能，允许无限制的数据突发传输，而无需进行地址映射的考虑，主要面向于高速数据传输。

3 AXI的工作模式

3.1 AXI通道说明

AXI总线共分为5个通道，分别为读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道和写应答通道。
（1）读地址通道（AR channel）：包含ARVALID，ARADDR，ARREADY信号；
（2）读数据通道（R channel）：包含RVALID， RDATA，RREADY，RRESP信号；
（3）写地址通道（AW channel）：包含AWVALID，AWADDR，AWREADY信号；
（4）写数据通道（W channel）：包含WVALID，WDATA，WSTRB， WREADY信号；
（5）写应答通道（B channel）：包含BVALID，BRESP，BREADY信号；
由于AXI4-Stream无需通过地址进行映射，所以AXI4-Stream总线的接口组成有：
（1）ACLK信号：总线时钟，上升沿有效；
（2）ARESETN信号：总线复位，低电平有效；
（3）TVALID信号：主机告诉从机数据本次传输有效；
（4）TREADY信号：从机告诉主机做好传输准备；需要注意的是，只有当TVAILD和TREADY信号同时为高电平时，此时握手成功，才传输数据。
（5） TLAST信号：主机告诉从机该次传输为突发传输的结尾；当TLAST为高时，表明当前数据是最后一次传输。
（6）TDATA信号：数据，可选宽度32、64、128、256bit；
（7）TKEEP信号：类似于字节修饰符，表示数据是有效的。
（8） TSTRB信号：每bit对应TDATA的一个有效字节，宽度为TDATA/8；
（9）TUSER信号：用户定义信号，宽度为128bit。

3.2 AXI总线数据传输实现过程

3.2.1 读数据实现过程

下图为读数据的流程框图示意图，从上述内容中是否存在疑惑为何读数据没有读反馈信号，从这个示意图中可以得出结论。在主机向从机发送地址，从机向主机发送数据的同时其实已经包含了反馈信号。

主机在读地址通道上给出要读取的数据的地址和控制信息（当突发读取多个数据时，给出数据存储的首地址和突发长度），从机收到后在将数据通过读数据通道发送给主机。

3.2.2 写数据实现过程

下图所示为写事务使用写地址、写数据和写响应通道的方式，主机首先向发送写控制，然后发送要写入的数据，从机在收完本次写事务的数据后给出写响应信号代表接收完成。

3.2.3 AXI4握手机制

握手机制中有三种情况valid信号先到，ready信号先到以及两个信号同时到。下面对这三种情况进行具体分析：

VALID信号先到
时序图如下图所示：

源设备在T1时刻之后给出地址、数据或控制信息（白色表示有用），在T1时刻之后VALID信号开始有用。在 T2时刻时钟上升沿处，系统知道了信息有效。目标设备在T2时刻之后才发送ready信号，错过了T2时刻上升沿，所以源设备必须保持它携带的信息稳定直到T3时刻，此时握手信号都为高电平，信息开始传输，真正发生传输的是在T3时刻上升沿。

源端必须在令VALID信号有效之后等待READY信号有效，一旦VALID有效，源端必须等待握手发生，即在保持VALID不变的情况下，等待目的端的READY信号有效。VALID高低电平，不由READY信号决定，仅仅由信息的有用性决定。

READY信号先到
时序图如下图所示：

此时T1时刻之后READY信号开始拉高，到了T2系统开始知道目标设备准备好了。T2之后给出地址、数据或控制信息，VALID开始有效，T3时刻到后握手完成，开始进行数据传输。这里我们可以看见目标设备其实可以一直把这个READY信号拉高，因为只要目标设备寄存器有空间就行。这个可以和第一种情况区分一下，第一种情况说的是，VALID信号高低也好其实完全是取决于信号是否有用，这时候如果VALID先高，则必须完成握手后，才能拉回去。但是这种情况，在VALID有效前，即使READY已经有效，也可以再次令READY无效。 READY拉高拉低标准取决于目标设备，和VALID无关。

两个信号同时到
时序图如下图所示：

在这种情况下，两端的VALID/READY信号同时有效，则传输立刻在下一个时钟周期开始。