AXI4-协议规范课件

独立的地址/控制和数据阶段。使用字节选通，支持非对齐的数据传输。只有开始地址的猝发交易。独立的读和写数据通道，可以使能低成本的直接存储器访问DMA传输。能发出多个未解析的地址。完成无序交易。容易添加寄存器切片，满足时序收敛要求。AXI协议的关键特性表现在以下几个方面：AMBA协议规范

---AMBAAX14协议1AXI4-协议规范

提供了更高的生产率，主要体现在以下几个方面：将不同的接口整合到一个接口（AXI4）中，因此用户仅需了解单个系列的接口。简化了不同领域IP的集成，并使自身或第三方IP的开发工作更简单易行。由于AXI4IP已为实现最高性能、最大吞吐量以及最低时延进行了优化，从而进一步简化了设计工作；AXI协议较其它协议提供了下面的优势：AMBA协议规范

--AMBAAX14协议2AXI4-协议规范提供了更大的灵活性，主要体现在以下几个方面：支持嵌入式、DSP及逻辑版本用户。调节互连机制，满足系统要求：性能、面积及功耗。帮助设计者在目标市场中构建最具号召力的产品。AMBA协议规范

--AMBAAX14协议3AXI4-协议规范提供了广泛的IP可用性第三方IP和EDA厂商普遍采用AXI4标准，从而使该接口获得更广泛的应用。基于AXI4的目标设计平台可加速嵌入式处理、DSP以及连接功能设计开发。AMBA协议规范

--AMBAAX14协议4AXI4-协议规范

AXI4协议基于猝发式传输机制。在地址通道上，每个交易有地址和控制信息，这些信息描述了需要传输的数据性质。在主设备和从设备之间传输数据，分别使用到从设备的写数据通道和到主设备的读数据通道。在主设备到从设备的写数据交易中，AXI有一个额外的写响应通道。从设备通过写响应通道向主设备发出信号表示写交易完成。AMBAAX14协议--AMBAAXI4功能5AXI4-协议规范所有的AXI4包含了5个不同的通道读地址通道（Readaddresschannel,AR）。写地址通道(Writeaddresschannel,AW)。读数据通道(Readdatachannel,R)。写数据通道(Writedatachannel,W)。写响应通道(Writeresponsechannel,B)。AMBAAX14协议--AMBAAXI4功能6AXI4-协议规范AXI4使用读地址和读数据通道的读交易过程AMBA协议规范

--AMBAAX14协议7AXI4-协议规范AMBA协议规范

--AMBAAX14协议AXI4使用写地址、写数据通道和写响应通道的写交易过程。8AXI4-协议规范信号源描述ACLK时钟源全局时钟信号。所有的信号在全局时钟的上升沿采样。ARESETn复位源全局复位信号。该信号低有效。

AMBAAX14协议--AXI4全局信号9AXI4-协议规范AXI4低功耗接口信号信号源描述CSYSREQ时钟控制器系统低功耗请求。这个信号来自系统时钟控制器，使外设进入低功耗状态。CSYSACK外设低功耗请求响应信号。这个信号来自系统低功耗请求外设的响应信号。CACTIVE外设时钟活动。该信号表示外设是否要求它的时钟信号。1=要求外设时钟。AMBAAX14协议--低功耗接口信号10AXI4-协议规范读和写交易有各自的地址通道。地址通道上给出交易所要求的地址和控制信息。AXI4读和写地址通道包括下面的机制：可变长度的猝发操作，每次猝发操作包含1-256数据。提供服务质量（QoS）信号。支持多个区域接口。猝发传输不能超过4k边界。回卷、递增和非递增猝发。使用互斥和锁的原子操作。系统级缓存和缓冲控制。安全和特权访问。AMBAAX14协议--AXI4通道及信号11AXI4-协议规范读和写地址通道

读和写交易有各自的地址通道。地址通道加载交易所有要求的地址和控制信息。AMBAAX14协议--AXI4通道及信号12AXI4-协议规范写地址通道信号及其信号定义信号名源描述AWID[3：0]主写地址ID。这个信号用于写地址信号组的标记。AWADDR[31:0]主写地址。写地址信号给出写猝发交易的第一个传输地址。相关的控制信号线用于确定猝发中剩余传输的地址。AWLEN[7:0]主猝发长度。给出猝发中准确的传输个数。该信息给出了和地址相关的数据传输个数。AWSIZE[2:0]主猝发大小。这个信号确定猝发中每个传输的大小。字节通道选通用来说明需要更新的字节通道。AWBURST[1:0]主猝发类型。该信息与传输大小信息一起，表示在猝发过程中，地址如何用于每个传输。AWLOCK主锁类型。这个信号提供了关于传输原子特性的额外信息（普通或互斥访问）AWCACHE[3:0]主缓存类型。这个信号表示可缓冲、可缓存、写通过、写回和分配交易属性。AMBAAX14协议--AXI4通道及信号13AXI4-协议规范信号名 源描述AWPROT[2:0]主保护类型。这个信号表示交易的普通、特权、或安全保护级，以及交易是数据访问还是指令访问。AWVALID主写地址有效。这个信号表示写地址有效和控制信息是可用的。该信号一直保持有效，直到响应信号AWREADY为高。AWREADY从写地址准备。这个信号表示从设备准备接受地址和相关的控制信号。AWQOS[3:0]主用于每个写交易的地址通道上的4位QoS标识符（可作为优先级标志）。AWREGION[3:0]主用于每个写交易的地址通道上的域标识符。写地址通道信号及其信号定义AMBAAX14协议--AXI4通道及信号14AXI4-协议规范信号名源描述ARID[3：0]主读地址ID。这个信号用于读地址信号组的标记。ARADDR[31:0]主读地址。读地址信号给出读猝发交易的第一个传输地址。只提供猝发的开始地址和给出控制信号，详细描述了在猝发的剩余传输中如何计算地址。ARLEN[7:0]主猝发长度。给出猝发中准确的传输个数。该信息给出了和地址相关的数据传输数量。ARSIZE[2:0]主猝发大小。这个信号确定猝发中每个传输的大小。字节通道选通用来指示需要更新的字节通道。ARBURST[1:0]主猝发类型。该信息与大小信息一起，用于在猝发过程中，地址如何用于每个传输。AMBAAX14协议--AXI4通道及信号写地址通道信号及其信号定义15AXI4-协议规范信号源描述ARLOCK主锁类型。这个信号提供了关于传输原子特性的额外信息（普通或互斥访问）。ARCACHE[3:0]主缓存类型。这个信号提供可缓存传输属性。ARPROT[2:0]主保护类型。这个信号提供用于传输的保护单元信息。ARVALID主读地址有效。这个信号表示读地址有效和控制信息是可用的。该信号一直保持有效，直到响应信号ARREADY为高。ARREADY从读地址准备。这个信号表示从设备准备接受地址和相关的控制信号。ARQOS[3:0]主用于每个读交易的地址通道上的4位QoS标识符（可作为优先级标志）。ARREGION[3:0]主用于每个读交易的地址通道上的域标识符。读地址通道信号及其信号定义AMBAAX14协议--AXI4通道及信号16AXI4-协议规范读数据通道读数据通道传送所有来自从设备到主设备的读数据及读相应信息。读数据通道包括：数据总线宽度：8、16、32、64、128、256、512和1024位宽度。读响应表示读交易完成的状态。AMBAAX14协议--AXI4通道及信号17AXI4-协议规范读数据通道信号及其信号定义信号名源描述RID[3:0]从读ID标记。这个信号是读数据信号组标记。由从设备产生RID，RID必须和读交易中的ARID值匹配。RDATA[31:0]从读数据。读数据总线可以是8、16、32、64、128、256、512或者1024位宽度。RRESP[1:0]从读响应。这个信号表示读传输的状态。允许的响应为OKAY、EXOKAY、SLVERR和DECERR。RLAST从读最后一个。表示读猝发中的最后一个传输。RVALID从读有效。这个信号表示所要求的读数据是可用的，能完成读传输。RREADY主读准备。这个信号表示主设备能接受读数据和响应信息。AMBAAX14协议--AXI4通道及信号18AXI4-协议规范写数据通道写数据通道传送所有从主设备到从设备的写数据。写数据通道包括：数据总线宽度：8、16、32、64、128、256、512和1024位宽度。每8位有一个字节通道选通，用来表示数据总线上的哪个字节是有效的。AMBAAX14协议--AXI4通道及信号19AXI4-协议规范写数据通道信号及其信号定义信号名源描述WDATA[31:0]主写数据。写数据总线可以是8、16、32、64、128、256、512或者1024位宽度。WSTRB[3:0]主写选通。用于表示更新存储器的字节通道。对应数据总线的每8位，有一个写选通。WLAST主写最后一个。表示写猝发中的最后一个传输。WVALID主写有效。这个信号表示所要求的写有效的数据和选通是可用的。WREADY从写准备。这个信号表示从设备能接受写数据。AMBAAX14协议--AXI4通道及信号20AXI4-协议规范写响应通道

写响应通道提供了一种方法，用于从设备响应写交易。所有的写信号使用完成信号。每个响应用于一次猝发的完成，而不是用于每个交易的数据。读交易和写交易可以通过下面的交易例子进行说明：读猝发交易。重叠猝发交易。写猝发交易。AMBAAX14协议--AXI4通道及信号21AXI4-协议规范信号名源描述BID[3:0]从响应ID。写响应识别标记。BID值必须匹配写交易的AWID值。BRESP[1:0]从写响应。这个信号表示写交易的状态。可允许的响应为OKAY、EXOKAY、SLVERR和DECERR。.BVALID从写响应有效。这个信号表示所要求的有效写响应是可用的。BREADY主响应准备。这个信号表示主设备可以接受响应信息。写响应通道信号及信号定义AMBAAX14协议--AXI4通道及信号22AXI4-协议规范读猝发交易过程中典型信号的交互过程AMBAAX14协议--AXI4通道及信号23AXI4-协议规范写猝发交易过程中典型信号的交互过程AMBAAX14协议--AXI4通道及信号24AXI4-协议规范为了避免死锁条件，必须考虑握手信号之间存在的依赖关系。在任何交易中：AXI互联中的VALID信号不依赖于交易中其它元件的READY信号。READY信号能等待VALID信号的确认。AXI4通道及信号--AXI4交易通道的握手信号关系25AXI4-协议规范

读交易中的握手之间的依赖关系在确认ARREADY信号前，从设备能等待确认ARVALID信号。在从设备通过确认RVALID信号开始返回数据前，必须等待确认所有的ARVALID和ARREADY信号。AXI4通道及信号--AXI4交易通道的握手信号关系26AXI4-协议规范AXI4写交易的握手信号关系AXI4通道及信号--AXI4交易通道的握手信号关系27AXI4-协议规范在确认AWVALID和WVALID信号前，主设备不需要等待从设备确认AWREADY或者WREADY信号。在确认AWREADY前，从设备能等待AWVALID或WVALID信号，或者全部这两个信号。在确认WREADY前，从设备能等待AWVALID或WVALID信号，或者全部这两个信号。AXI4通道及信号--AXI4交易通道的握手信号关系28AXI4-协议规范从设备在确认BVALID前，从设备必须等待确认所有的AWVALID和AWREADY信号。在确认BVALID前，从设备不需要等待主设备确认BREADY信号。在确认BREADY前，主设备能等待BVALID信号。AXI4通道及信号--AXI4交易通道的握手信号关系29AXI4-协议规范AXI协议中定义了三种猝发类型：固定猝发（Fixedburst）。递增猝发（Incrementingburst）。回卷猝发（Wrappingburst）。

AXI4猝发类型AMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算30AXI4-协议规范猝发类型编码ARBURST[1:0]AWBURST[1:0]猝发类型描述访问00固定固定地址猝发FIFO类型01递增递增地址猝发通常的顺序存储器10回卷递增地址猝发，但是在边界时，返回到低地址。高速缓存行11保留--AMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算31AXI4-协议规范对于回卷式的猝发方式，有两个限制：开始地址必须对齐传输大小。猝发的长度必须是2，4，8或16。猝发操作的限制大于16拍的猝发传输只支持递增类型。回卷和固定类型只限于小于16拍的猝发传输。AMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算32AXI4-协议规范计算过程中，所需要使用的一些术语：Start_Address:主设备给出的开始地址。Number_Bytes:每次数据传输过程中最大的字节个数。Data_Bus_Bytes:数据总线上的字节通道的个数。Aligned_Address:开始地址的对齐版本。Burst_Length:在一个猝发中数据传输的总个数。AMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算33AXI4-协议规范Address_N:在一个猝发中传输N个的地址。Wrap_Boundary:在一个回卷猝发方式的低地址。Lower_Byte_Lane:一个传输最低寻址字节的字节通道。Upper_Byte_Lane:一个传输中最高寻址字节的字节通道。INT(x):x取整操作。AMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算34AXI4-协议规范赋值操作Start_Address=ADDR。Number_Bytes=2SIZE。Burst_Length=LEN+1。Aligned_Address=(INT(Start_Address/Number_Byte))×Number_Bytes。AMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算35AXI4-协议规范在一个猝发中，第一个传输的地址表示为：Address_1=Start_Address。在一个猝发中，传输N个数据后的地址表示为：Address_N=Aligned_Address+（N-1）×Number_Bytes。AMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算36AXI4-协议规范在一个猝发中，第一个传输的地址表示为：Address_1=Start_Address。对于WARP的猝发方式，其边界由下式确定为：Wrap_Boundary=(Int(Start_Address/(Number_BytesxBurst_Length)))×(Number_BytesxBurst_Length)。如果Address_N=Wrap_Boundary+(Number_BytesxBurst_Length)，则使用这个等式：Address_N=Wrap_AddressAMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算37AXI4-协议规范使用下面的等式确定第一个传输中使用哪个字节通道：Lower_Byte_Lane=Start_Address-(INT(Start_Address/Data_Bus_Bytes))×Data_Bus_BytesUpper_Byte_Lane=Aligned_Address+(Number_Bytes-1)-(INT(Start_Address/Data_Bus_Bytes))×Data_Bus_Bytes。AMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算38AXI4-协议规范在一个猝发中，第一个传输的地址表示为：Lower_Byte_Lane=Address_N–(INT(Address_N/Data_Bus_Bytes))Data_Bus_Bytes。Upper_Byte_Lane=Lower_Byte_Lane+Number_Bytes–1。传输数据的范围在：DATA[(8×Upper_Byte_Lane)+7:(8xLower_Byte_Lane)]。AMBAAX14协议--AXI4猝发类型及地址计算39AXI4-协议规范AWCACHE[3:2]和ARCACHE[3:2]

AWCACHE[2]和ARCACHE[2]为读分配位。

AWCACHE[3]和ARCACHE[3]为写分配位。

对于读交易，写分配位表示：由于一个写交易，位置能预先在高速缓存中进行分配；由于其它主设备的行为，位置能预先在高速缓存中进行分配；AMBAAX14协议--AWCACHE和ARCACHE属性40AXI4-协议规范对于写交易，读分配位表示：由于一个读交易，位置能预先在高速缓存中进行分配；由于其它主设备的行为，位置能预先在高速缓存中进行分配；AMBAAX14协议--AWCACHE和ARCACHE属性AWCACHE[1]和ARCACHE[1]在AXI4中表示可修改位。该位为1时，表示交易是可修改的，否则交易时不可修改的。41AXI4-协议规范不可修改交易不能分割成多个交易或者与其它交易合并。交易不可修改时，下面的参数是不可修改的：传输地址（AWADDR,ARADDR,AWREGION,ARREGION）。猝发大小（AWSIZE,ARSIZE）。猝发长度（AWLEN,ARLEN）。猝发类型（AWBURST.ARBURST）。锁类型（AWLOCK,ARLOCK）。保护类型（AWPROT，ARPROT）。AWCACHE和ARCACHE属性--不可修改的交易42AXI4-协议规范不可修改交易中，交易ID和QoS值是可修改的。对于猝发长度大于16的不可修改的交易，允许分割成多个交易。每个产生的交易都满足上面的要求，但减少猝发长度，所产生的猝发地址也相应的修改。AWCACHE和ARCACHE属性--不可修改的交易43AXI4-协议规范可修改的交易可以通过下面的方法进行操作：交易能分割成多个交易。多个交易能合并成一个交易。读交易能取出比要求多的数据。写交易能访问比要求更大的地址范围，使用写选通信号来保证只更新合理的位置。AWCACHE和ARCACHE属性--可修改的交易44AXI4-协议规范可以修改每个产生交易的：传输地址（AWADDR、ARADDR）。猝发大小（AWSIZE、ARSIZE）。猝发长度（AWLEN、ARLEN）。猝发类型（AWBURST、ARBURST）。

但是，不能修改锁类型（AWLOCK、ARLOCK）和保护类型（AWPROT、ARPROT）。AWCACHE和ARCACHE属性--可修改的交易45AXI4-协议规范AWCACHE[0]和ARCACHE[0]AWCACHE[0]和ARCACHE[0]表示可缓冲。

ARCACHE[0]表示读数据由终端设备发出或者由所写的目的设备发出。当为低时，AWCACHE[0]表示写响应由终端设备发出，否则可以由中间设备发出。AMBAAX14协议--AWCACHE和ARCACHE属性46AXI4-协议规范通常情况下，不推荐使用用户信号。

因为，在AXI4协议中没有定义它们的功能，这样两个元件在不兼容行为下使用相同的用户信号，可能导致互操作性问题。下面给出每个AXI4通道的用户信号名字：AWUSER：写地址通道用户信号。ARUSER：地址通道用户信号。WUSER：写数据通道用户信号。RUSER：读数据通道用户信号。BUSER：写响应通道用户信号。AMBAAX14协议--AMBA用户信号47AXI4-协议规范

当实现用户信号时，并不要求所有通道支持用户信号。此外，不希望在一个通用的主设备和从设备元件接口支持用户信号。推荐，包含支持用户信号的互联元件允许这些信号在主设备和从设备之间进行传递。用户信号的宽度在实现时定义，在每个通道的宽度可以不同。AMBAAX14协议--AMBA用户信号48AXI4-协议规范直通模式。只转换模式。N-1互联模式。1-N互联模式。N-M互联模式。其互联结构模型包括:AMBA协议规范

---AMBAAXI4互联结构49AXI4-协议规范主设备0从设备0

互联AMBAAXI4互联结构--直通模式

当只有一个主设备和一个从设备和AXI互联时，AXI互联不执行任何转换或流水线功能，AXI互联结构退化成直接的线连接。在这种模式下，没有延迟存在，同时不消耗逻辑资源。50AXI4-协议规范主设备0转换/流水从设备0互联AMBAAXI4互联结构--只转换模式51AXI4-协议规范

连接一个主设备和一个从设备时，AXI互联能执行不同的转换和流水线功能。这些功能主要包括：数据宽度转换；时钟速率转化；AXI4-Lite从适应；AXI-3从适应；流水线（例如一个寄存器Slice或者数据通道FIFO）。在只转换模式下，AXI互联不包含仲裁、解码或布线逻辑，但是可能产生延迟。AMBAAXI4互联结构--只转换模式52AXI4-协议规范AMBAAXI4互联结构

--N-1互连模式53AXI4-协议规范AMBAAXI4互联结构

--N-1互连模式AXI互联的一个普通的退化配置模式是，多个主设备访问一个从设备。

典型的，一个存储器控制器，很显然需要仲裁逻辑。这种情况下，AXI互联不需要地址译码逻辑（除非需要确认地址的有效范围）。在这个配置中，也执行数据宽度和时钟速率的转换。54AXI4-协议规范互联主设备0从设备0从设备1AMBAAXI4互联结构--1-N互连模式55AXI4-协议规范

另一个AXI互联退化的结构是，一个主设备，典型的处理器，访问多个存储器映射的从外设。在这种模式下，AXI互联不执行仲裁(在地址和写数据通道)。AMBAAXI4互联结构--1-N互连模式56AXI4-协议规范

AXI互联提供了一种共享地址多数据流（SAMD）拓扑结构，这种结构中包含稀疏的数据交叉开关连接、单线程写和读地址仲裁。AMBAAXI4互联结构--N-M互连模式57AXI4-协议规范AMBAAXI4互联结构--N-M互连模式共享写和读地址仲裁的N-M的AXI互联结构58AXI4-协议规范AMBAAXI4互联结构--N-M互连模式稀疏互联开关写和读数据通路59AXI4-协议规范AXI4-Lite接口是AXI4接口的子集，专用于和元件内的控制寄存器进行通信。AXI4-Lite允许构建简单的元件接口。这个接口规模是较小的，对设计和验证方面的要求更少。AMBA协议规范

---AX14-Lite功能60AXI4-协议规范AXI4-Lite接口的关键特性包含：所有交易的猝发长度为1。所有访问数据的大小和数据总线宽度相同。支持数据总线宽度为32位或64位（要求64位原子访问）。所有的访问相当于AWCACHE和ARCACHE等于b0000(非缓冲和非缓存的)。不支持互斥性操作。AMBA协议规范

---AX14-Lite功能61AXI4-协议规范AXI4-Lite接口信号全局写地址通道写数据通道写响应通道读地址通道读数据通道ACLKAWVAILDWVALIDBVALIDARVALIDRVALIDARESETnAWREADYWREADYBREADYARREADYRREADY-AWADDRWDATABRESPARADDRRDATA-AWPROTWSTRB-ARPROTPRRESPAMBA协议规范

---AX14-Lite功能62AXI4-协议规范AXI4-Lite

支持多个未完成的交易。但是，通过合理的使用握手信号，一个所设计的从设备允许对这种交易进行限制。

在AXI-Lite中不支持AXIIDs。这个定义规定了所有的交易必须是顺序的，所有的交易必须使用一个单独固定的ID值。从设备可选择支持AXIID信号。这样，允许使用的从设备是全AXI接口，而不需要对接口进行修改。AMBA协议规范

--AX14-Lite功能63AXI4-协议规范AXI4-Lite支持写选通这样允许实现多个不同大小的寄存器，也允许实现可以使用字节和半字访问进行写操作的存储器结构。

所有的主接口和互联必须提供正确的写选通信号。所有的从设备元件可以选择是否使用写选通信号。

对于提供类似存储器行为的从设备元件必须充分的支持写选通。AMBA协议规范

---AX14-Lite功能64AXI4-协议规范AXI和AXI4-Lite的互通性主设备从设备互通性AXIAXI充分。AXI-LiteAXI-Lite充分。AXIAXI-Lite要求反映AXIID，可能要求转换。AXI-LiteAXI充分。AMBA协议规范

--AX14-Lite功能65AXI4-协议规范上表给出了AXI和AXI4-Lite的互通性。只有主设备是AXI和从设备是AXI-Lite的情况需要特殊的考虑。这种情况要求反映ID，使用和地址交易相关的AXIID。

然后，随读数据或者写响应返回相同的ID号。这是因为主设备需要返回的ID来正确识别交易的响应。AMBA协议规范

--AX14-Lite功能66AXI4-协议规范支持很多不同的流类型。流协议在传输和包之间定义了联系。AXI-Stream信号列表信号源描述ACLK时钟源全局时钟信号。所有信号在ACLK信号上升沿采样。ARESETn复位源全局复位信号，ARESETn低有效。TVALID主TVALID表明主设备正在驱动一个有效的传输。当确认TVALID和TREADY信号后，发生一个传输。TREADY从TREADY表明在当前周期能接收一个传输。TDATA[(8n-1):0]主TDATA是基本的有效载荷，用来提供跨越接口的数据。数据为整数个字节。AMBA协议规范

--AXI-Stream接口67AXI4-协议规范TSTRB[(n-1):0]主TSTRB为字节修饰符，用来描述TDATA相关字节内容作为一个数字字节或者一个位置字节被处理。TKEEP[(n-1):0]主TKEEP是字节修饰符，用来表明TDATA相关字节的内容是否作为数据流的一部分被处理。TKEEP字节修饰符未被