AMBA AXI总线详解

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1、AXI 总线协议资料整理第一部分：1、 AXI 简介： 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、并支持显著传输访问和乱序访问，并更加容易就行时序收敛。AXI 是 AMBA 中一个新的高性能协议。 AXI 技术丰富了现有的 AMBA 标准内容，满足

2、超高性能和复杂的片上系统（ SoC）设计的需求。2、 AXI 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。第二部分：本部分对 AXI1.0 协议的各章进行整理。第一章本章主要介绍 AXI 协议和 AXI 协议定义的基础事务。1、 AXI 总线共有 5 个通道

3、分别是 read address channel、 write address channel 、 read data channel 、 write data channel、 write response channel。每一个 AXI 传输通道都是单方向的。2、 每一个事务都有地址和控制信息在地址通道（address channel ）中，用来描述被传输数据的性质。3、 读事务的结构图如下：4、 写事务的结构图如下：5、 这 5 条独立的通道都包含一个信息信号和一个双路的 VALD、READY 握手机制。6、 信息源通过 VALID 信号来指示通道中的数据和控制信息什么时候有效。目地源用

4、 READY 信号来表示何时能够接收数据。读数据和写数据通道都包括一个 LAST 信号，用来指明一个事物传输的最后一个数据。7、 读和写事务都有他们自己的地址通道，这地址通道携带着传输事务所必须的地址和信息。8、 读数据通道传送着从设备到主机的读数据和读响应信息。读响应信息指明读事务的完成状态。9、 写数据通路传送着主机向设备的写数据。每八个数据都会有一个 byte lane ，用来指明数据总线上面的哪些 byte 有效。写响应通道提供了设备响应写事务的一种方式。这完成信号每一次突发式读写会产生一个。10、 主机和设备的接口和互联图如下：11、 传输地址信息和数据都是在 VALID 和 REA

5、DY 同时为高时有效。12、 突发式读的时序图如下：当地址出现在地址总线后，传输的数据将出现在读数据通道上。设备保持VALID 为低直到读数据有效。为了表明一次突发式读写的完成，设备用RLAST 信号来表示最后一个被传输的数据。13、 重叠突发式读时序图如下：设备会在第一次突发式读完成后处理第二次突发式读数据。也就意味着，主机一开始传送了两个地址给设备。设备在完全处理完第一个地址的数据之后才开始处理第二个地址的数据。14、 突发式写时序图如下：这一过程的开始时，主机发送地址和控制信息到写地址通道中，然后主机发送每一个写数据到写数据通道中。当主机发送最后一个数据时，WLAST 信号就变为高。当设

6、备接收完所有数据之后他将一个写响应发送回主机来表明写事务完成。15、 AXI 协议支持乱序传输。他给每一个通过接口的事务一个 IDtag。协议要求相同 ID tag 的事务必须有序完成，而不同 ID tag 可以乱序完成。第二章本章主要介绍一些信号描述，其中包括全局信号、写地址通道信号、写数据通道信号、写响应通道信号、读地址通道信号、读数据通道信号、低功耗接口信号。本章的所有表都是以 32 位的数据总线、4 位的写数据闸门、4 位的 ID段。1、全局信号信号 源 描述ACLK Clock source 全局时钟信号ARESETn Reset source 全局复位信号，低电平有效2、写地址通道

7、信号信号 源 描述AWID3:0 主机 写地址 ID，这个信号是写地址信号组的 ID tag。AWADDR31:0 主机 写地址。AWLEN3:0 主机 突发式写的长度。此长度决定突发式写所传输的数据的个数。AWSIZE2:0 主机 突发式写的大小。AWBURST1:0 主机 突发式写的类型。AWLOCK1:0 主机 锁类型。AWCACHE3:0 主机 Cache 类型。这信号指明事务的bufferable、cacheable 、write-through、write-back、allocate attributes 信息。AWPROT2:0 主机 保护类型。AWVALID 主机 写地址有效。

8、1 = 地址和控制信息有效0 = 地址和控制信息无效这个信号会一直保持，直到 AWREADY 变为高。AWREADY 设备 写地址准备好。这个信号用来指明设备已经准备好接受地址和控制信息了。1 = 设备准备好0 = 设备没准备好3、写数据通道信号信号 源 描述WID3:0 主机 写 ID tag，WID 的值必须与 AWID 的值匹配WDATA31:0 主机 写的数据。WSTRB3:0 主机 写阀门。WSTRBn标示的区间为 WDATA(8*n)+7:(8*n)WLAST 主机 写的最后一个数据。WVALID 主机 写有效1 = 写数据和阀门有效0 = 写数据和阀门无效WREADY 设备 写就

9、绪。指明设备已经准备好接受数据了1 = 设备就绪0 = 设备未就绪4、写响应通道信号信号 源 描述BID3:0 设备 响应 ID ， 这个数值必须与 AWID 的数值匹配。BRESP1:0 设备 写响应。这个信号指明写事务的状态。可能有的响应：OKAY、EXOKAY 、SLVERR、DECERR。BVALID 设备 写响应有效。1 = 写响应有效0 = 写响应无效BREADY 主机 接受响应就绪。该信号表示主机已经能够接受响应信息。1 = 主机就绪0 = 主机未就绪5、读地址通道信号信号 源 描述ARID3:0 主机 读地址 ID。ARADDR31:0 主机 读地址。ARLEN3:0 主机 突

10、发式读长度。ARSIZE2:0 主机 突发式读大小。ARBURST1:0 主机 突发式读类型。ARLOCK1:0 主机 锁类型。ARCACHE3:0 主机 Cache 类型。ARPROT2:0 主机 保护类型。ARVALID 主机 读地址有效。信号一直保持，直到 ARREADY 为高。1 = 地址和控制信息有效0 = 地址和控制信息无效ARREADY 设备 读地址就绪。指明设备已经准备好接受数据了。1 = 设备就绪0 = 设备未就绪6、读数据通道信号信号 源 描述RID3:0 设备 读 ID tag。RID 的数值必须与 ARID 的数值匹配。RDATA31:0 设备 读数据。RRESP1:0

11、 设备 读响应。这个信号指明读传输的状态：OKAY、EXOKAY 、SLVERR、DECERR。RLAST 设备 读事务传送的最后一个数据。RVALID 设备 读数据有效。1 = 读数据有效。0 = 读数据无效。 RREADY 主机 读数据就绪。1 = 主机就绪0 = 主机未就绪7、低功耗接口信号信号 源 描述CSYSREQ CLOCK controller 系统低功耗请求。此信号来自系统时钟控制器，使外围设备进入低功耗状态。CSYSACK 外围设备 低功耗请求应答。CACTIVE 外围设备 Clock active 1 = 外围设备时钟请求0 = 外围设备时钟无请求第三章本章介绍主机/设备之

12、间的握手过程以及 READY 和 VALD 握手信号的关系以及默认值。1、全部 5 个通道使用相同的 VALID/READY 握手机制传输数据及控制信息。传输源产生 VLAID 信号来指明何时数据或控制信息有效。而目地源产生READY 信号来指明已经准备好接受数据或控制信息。传输发生在 VALID 和READY 信号同时为高的时候。VALID 和 READY 信号的出现有三种关系。（1） VALID 先变高 READY 后变高。时序图如下：在箭头处信息传输发生。（2） READY 先变高 VALID 后变高。时序图如下：同样在箭头处信息传输发生。（3） VALID 和 READY 信号同时变高

13、。时序图如下：在这种情况下，信息传输立马发生，如图箭头处指明信息传输发生。2、通道之间的关系 地址、读、写和写响应通道之间的关系是灵活的。例如，写数据可以出现在接口上早于与其相关联的写地址。也有可能写数据与写地址在一个周期中出现。两种关系必须被保持：（1）读数据必须总是跟在与其数据相关联的地址之后。（2）写响应必须总是跟在与其相关联的写事务的最后出现。3、通道握手信号之间的依赖性读事务握手依赖关系如图：（1）设备可以在 ARVALID 出现的时候在给出 ARREADY 信号，也可以先给出 ARREADY 信号，再等待 ARVALID 信号。（2）但是设备必须等待 ARVALID 和 ARREA

14、DY 信号都有效才能给出RVALID 信号，开始数据传输。写事务握手依赖关系如图：（1）主机必须不能够等待设备先给出 AWREADY 或 WREADY 信号信号后再给出信号 AWVALID 或 WVLAID。（2）设备可以等待信号 AWVALID 或 WVALID 信号有效或者两个都有效之后再给出 AWREADY 信号。（3）设备可以等待 AWVALID 或 WVALID 信号有效或者两个信号都有效之后再给出 WREADY 信号。第四章本章主要介绍 AXI 突发式读写的类型和在一次突发式读写事务内如何计算地址和 byte lanes。1、 突发式读写的地址必须以 4KB 对齐。2、 信号 AW

15、LEN 或信号 ARLEN 指定每一次突发式读写所传输的数据的个数。具体信息如下图：3、 ARSIZE 信号或 AWSIZE 信号指定每一个时钟节拍所传输的数据的最大位数。具体信息如下图： 需要注意的是任何传输的 SIZE 都不能超过数据总线的宽度。4、 AXI 协议定义了三种突发式读写的类型：固定式的突发读写、增值式突发读写、包装式突发读写。用信号 ARBURST 或 AWBURST 来选择突发式读写的类型。具体信息如下图：（1）固定式突发读写是指地址是固定的，每一次传输的地址都不变。这样的突发式读写是重复的对一个相同的位置进行存取。例如 FIFO。（2）增值式突发读写是指每一次读写的地址都

16、比上一次的地址增加一个固定的值。（3）包装式突发读写跟增值式突发读写类似。包装式突发读写的地址是包数据的低地址当到达一个包边界。包装式突发读写有两个限制：起始地址必须以传输的 size 对齐。 1突发式读写的长度必须是 2、4、8 或者 16。 25、关于一些地址的计算公式。Start_Address 主机发送的起始地址Number_Bytes 每一次数据传输所能传输的数据 byte 的最大数量Data_Bus_Bytes 数据总线上面 byte lanes 的数量Aligned_Address 对齐版本的起始地址Burst_Length 一次突发式读写所传输的数据的个数Address_N 每一次突发式读写所传输的地址数量，范围是 2-16Wrap_Boundary 包装式突发读写的最低地址Low