高级可扩展接口（AXI）简介

本文将讨论AMBA的第三次修订版，该修订版向世界介绍了高级可扩展接口（AXI）协议。
AXI协议最初是为高频系统而设计的，旨在满足各种组件的接口要求，同时允许灵活地互连这些组件。适用于高频，低延迟设计，AXI仍与先前的AMBA版本向后兼容AHB和APB。
了解AXI将使您深入了解SoC的工作原理，同时使您成为一名多才多艺且全面的设计师。

AXI架构

回想一下，AHB（高级高性能总线）是单通道总线，多个主机和从机用于交换信息。优先级仲裁器确定当前哪个主机使用该总线，而中央解码器执行从机选择。突发执行操作可能需要花费多个总线周期才能完成。每个突发传输都包括一个地址和控制阶段，随后是一个数据阶段。
AXI的设计理念相似，但使用多个专用通道进行读写。像它的前身一样，AXI是基于突发的，并且在交换数据之前使用类似的地址和控制阶段。AXI还包括许多新功能，包括乱序事务，未对齐的数据传输，高速缓存支持信号和低功耗接口。

AXI频道

AXI主站和从站之间有五个独立的通道。它们是：

• 读取地址通道

• 读取数据通道

• 写地址通道

• 写数据通道

• 写响应通道
  

地址通道用于在执行主从之间的基本握手时发送地址和控制信息。数据通道是要交换信息的放置位置。
主机从从机读取数据并将数据写入从机。读取响应信息放置在读取数据通道上，而写入响应信息具有专用通道。这样，主机可以验证写事务已完成。
图1显示了通过五个AXI通道连接的AXI主从设备。


图1.  AXI通道
每次数据交换都称为事务。事务包括地址和控制信息，发送的数据以及任何响应信息。实际数据以突发方式发送，其中包含多次传输。图1显示了由4个拍子或数据传输组成的读写突发。
我们将在本文后面详细讨论突发。

AXI信号

就像以前的AMBA版本中的AHB，ASB和APB信号一样，每个AXI通道都有许多与之相关的信号。有两个全局信号称为ACLK和ARESETn。它们分别是系统的全局时钟和复位信号。ARESETn的后缀“ n”表示此信号为低电平有效。
图2显示了与读取通道相对应的信号以及全局信号。


图2. 读取地址，读取数据和全局信号
每个通道都有一个ID标签，用于无序交易。具有相同ID的任何事务都必须保留顺序，但是具有不同ID的事务可以按任何顺序完成。这样，即使较慢的事务首先发出，也可以在较慢的事务之前完成较快的事务。例如，如果一个主设备正在将数据写入多个从设备，则事务ID将允许更快的从设备更快完成。
总线宽度是特定于实现的，但是这些信号以32位总线宽度显示。从机使用RLAST信号向主机发送最后一个数据项正在传输的信号。
其他值得注意的信号包括突发大小，长度和类型。VALID和READY信号用于主机和从机之间的握手。这些将在本文后面讨论。
缓存，锁定和保护信号分别用于缓存，互斥访问（原子操作）和非法访问保护。


图3. 写入地址，数据和响应信号
图3显示了写地址，数据和响应信号。这些信号反映了上面的读取信号，但被主机用来将数据发送到从机。WLAST向从站发出信号，表明正在发送最后一个数据项。专用的写响应信号使主机可以知道写事务已成功完成。
有关这些信号的更详细说明，请参阅AMBA 3.0版，尤其是AMBA AXI协议v1.0规范。

AXI交易

如前所述，AXI数据传输称为事务。事务可以采用读或写的形式，并包括地址/控制信息，数据和响应。数据以脉冲串的形式发送，其中包括多个称为节拍的数据项。为了同步数据的发送和接收，AXI主站和从站在事务开始时使用READY和VALID信号执行握手。

通道握手

每个AXI通道都包含一个有效信号和一个就绪信号。这些用于同步和控制传输速率。这里要记住的重要一点是，源或发送者使用VALID信号表示数据或控制信息可用。当目的地或接收者实际上能够使用该信息时，它会发出READY信号。因此，只有当VALID和READY信号都有效时，才可以进行传输。
图4显示了工作中的AXI握手。通知信息传输（用箭头表示）仅在VALID和READY都较高时发生，而不管哪个先断言。还要注意，AXI在所有传输中都使用时钟上升沿。


图4.  AXI握手机制（改编自AXI规范v1.0）
AXI规范中的一个重要说明是，一个组件的VALID信号绝不能依赖于另一个组件的READY信号。READY可以等待VALID信号，但不是必须的。遵循这些规则消除了发生死锁的可能性。如果VALID依赖于READY，而READY则依赖于VALID，则很容易看到两个信号都不会置为有效，因为每个信号都在等待另一个信号。

AXI爆发

AXI中的数据交换采用突发形式。每个突发包括多个节拍或数据传输。在事务开始时发送的控制信息指示正在传输的突发的长度，大小和类型。
X代表R或W的AXLEN [3：0]表示突发中的拍数。宽度为4位，这意味着一个突发中最多可以进行16次传输。AXLEN = b0000表示每次连发有一个节拍。b0001，b0010和b0011的值分别代表两个拍子，三个拍子和四个拍子。这种模式一直持续到十六岁。组件必须完成AXLEN指定的所有节拍，无论是否使用数据。
AXSIZE [2：0]指定突发的每个拍中有多少个字节。AXSIZE中的每个位代表另一次幂2，“ 000”代表每个节拍1个字节，“ 111”代表每个节拍最多128个字节。这些节拍的大小不能超过母线宽度。
AXburst [1：0]确定将执行的突发类型。
AXI中有三种突发类型。他们是：

• 固定爆发

• 突发增加

• 包装爆裂
  

在固定的脉冲串中，地址不会随着每个节拍而改变。一个典型的应用是FIFO队列/缓冲区。
增量突发代表更典型的传输类型，其中在每个拍子之后，传输地址都会递增。您可以将其视为与基址的偏移量。
最终的突发类型是包装突发。包装突发与增量突发类似，不同之处在于存在一个包装边界，其中地址一旦增加到该点，它就会缠绕到一个较低的地址。
图5显示了三种不同类型的AXI突发的简化视图。


图5. AXI突发类型

AXI互连

AXI互连允许多个主机和/或多个从机相互连接。AXI规范定义了主机和从机，主机和互连以及从机和互连之间的接口。
实际上，互连包含连接到AXI主设备的从设备接口和连接到AXI从设备的主设备接口。互连中发生的事情（即，不同的主机如何与不同的从机通信）取决于实现方式。互连可以允许共享的地址总线，共享的数据总线都共享或不共享。
在下一篇文章中，我们将研究AXI互连，它们如何工作以及如何在设计中使用它们。

结论

本文是对高级可扩展接口（AXI）协议的基本介绍。我们查看了AMBA第三版中指定的旧版AXI。如前所述，您可以参考AMBA AXI协议v1.0（约一百页），以更深入地了解AXI的第一个版本。随着新版本的AXI（例如AXI4，AXI4-Lite和AXI4-Stream），AXI在AMBA版本4中看到了一些重大变化。
将来的AMBA文章将讨论用于组件之间系统级缓存一致性的AXI4和ACE协议（AXI一致性扩展）。AXI已成为现代SoC设计中广泛使用的协议。在学习AXI时，更简单的总线协议（如Avalon和Wishbone）将变得更加容易。