FPGA_AXI4总线

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 (一)AXI总线是什么？

    AXI是ARM 1996年提出的微控制器总线家族AMBA中的一部分。AXI的第一个版本出现在AMBA3.0，发布于2003年。当前的最新的版本发布于2010年。

    AXI4：主要面向高性能地址映射通信的需求；

    AXI4-Lite：是一个简单地吞吐量地址映射性通信总线；

    AXI4-Stream：面向高速流数据传输；

    AXI4总线分为主、从两端，两者间可以连续的进行通信。

    ISE从12.3版本，Virtex6，Spartan6芯片开始对AXI4总线提供支持，并且随着Xilinx与ARM的合作面逐渐展开而得到大力推广。

    (二)AXI4的优势

    1.通过统一的AXI接口，开发者为开发ip core只需要学习一种协议即可；

    2.AXI4是面向地址映射的接口，允许最大256轮的数据突发传输；

    3.AXI4-Lite是一个轻量级的地址映射单次传输接口，占用很少的逻辑单元；

    4.AXI4-Stream去掉了地址项，允许无限制的数据突发传输规模；

   

    NetFPGA10G采用了AXI4系列总线架构，而Xilinx从Virtex6，Spartan6才开始支持AXI4。因此斯坦福的开发人员对在Virtex6上编译出的带有AXI4总线的ngc文件进行了修改加载到NetFPGA10G的ipcore中，使之骗过ISE，继续网表映射流程。

    NetFPGA10G主要使用了其中的轻量级AXI4-lite（后文简写为axi）以及AXI4-stream（后文简写为axis）两者。前者用于CPU与ip core之间的通信；后者用于各ip core之间进行高速数据传输。如果将整个构架分为控制层面与数据层面，则axi主要负责控制层面，axis主要负责数据层面。

     本文后续内容主要对轻量级axi以及axis总线进行介绍，如需AXI4整体总线通信模式，请参看ARM AXI4 Specification,  Xilinx UG761 AXI Reference Guide.

    (三)AXI4的工作模式

    1.握手机制

     AXI4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。如下图所示：

    2.axi的工作模式：

    axi总线分为五个通道：

• 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；
• 系统通道，包含：ACLK，ARESETN信号；

    其中ACLK为axi总线时钟，ARESETN是axi总线复位信号，低电平有效；读写数据与读写地址类信号宽度都为32bit；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：

    顺序为主与从进行读地址通道握手并传输地址内容，然后在读数据通道握手并传输所读内容以及读取操作的回应，时钟上升沿有效。如图所示：

    B.写操作：

    顺序为主与从进行写地址通道握手并传输地址内容，然后在写数据通道握手并传输所读内容，最后再写回应通道握手，并传输写回应数据，时钟上升沿有效。如图所示：

    3.axis工作模式

    axis分为：

• tready信号：从告诉主做好传输准备；
• tvalid信号：主告诉从数据传输有效；
• tlast信号：主告诉从该次传输为突发传输结尾；
• tdata信号：数据，可选宽度32,64,128,256bit
• tstrb信号：为1的bit为对应tdata有效字节，宽度为tdata/8
• tuser信号  ：用户定义信号，宽度为128bit
• aclk信号：总线时钟，上升沿有效；
• aresetn信号：总线复位，低电平有效；

    通信时序如图所示：

 

    axi与axis是AXI4总线中通信复杂度较低的两条总线，最大开发难度存在于axi的控制平面向axis的数据平面下发参数时，由于axi与axis时钟频率不同而产生的跨时钟域数据传输问题。