全面介绍ZYNQ-AXI互联IP

学习内容

近期设计需要用到AXI总线的IP，所以就对应常用的IP进行简要的说明，本文主要对AXI互联IP进行介绍。

基础架构IP

基础的IP是用于帮助组装系统的构建块。基础架构IP往往是一个通用IP，它使用通用的AXI4接口在系统中移动或转换数据，而不解释数据。

这些基础的IP各自有自己的常用的功能，下面列举出一部分AXI接口的基础构架IP。

° AXI Register slices (for pipelining)用于流水线操作。° AXI FIFOs (for buffering/clock conversion)用于缓存和时钟转换。° AXI Interconnect IP and AXI SmartConnect IP (for connecting memory-mapped IP together)用于连接存储器映射的IP互连。

° AXI Direct Memory Access (DMA) engines (for memory-mapped to stream conversion)用于存储器映射和数据流接口的转换。° AXI Performance Monitors and Protocol Checkers (for analysis and debug)用于分析仿真。° AXI Verification IP (for simulation-based verification and performance analysis) 用于仿真验证。

Xilinx AXI SmartConnect IP and AXI Interconnect IP（AXI互联IP）介绍

Xilinx AXI Interconnect IP和AXI SmartConnect IP都可以将一个或多个AXI存储器映射的主设备连接到一个或多个存储器映射的从设备。而使用AXI SmartConnect IP，更紧密地集成到Vivado设计环境中，用户以最小的用户干预自动配置和适应已连接的AXI主从IP。AXI互联IP（AXI SmartConnect IP and AXI Interconnect IP）可以用于所有的存储器映射设计中。

在某些情况下，对于高带宽应用程序，使用SmartConnect IP可以提供更好的优化。AXI SmartConnect IP通过综合针对重要接口进行优化的低区域自定义互连，在低延迟下提供最大的系统吞吐量。

AXI Interconnect IP(axi_interconnect)可以将一个或多个AXI存储器映射的主设备连接到一个或多个存储器映射的从设备。Interconnect 相对于SmartConnect IP更符合来自ARM的AMBA AXI4规范，包括AXI4-Lite 接口。

AXI Interconnect IP和AXI SmartConnect IP仅用于存储器映射传输。AXI4-Stream传输不适用。但可以使用AXI4-Stream Interconnect IP (axis_interconnect)。带有AXI4-Stream接口的IP通常彼此连接到DMA IP或者AXI4-Stream Interconnect IP上。

综上：对于中到高性能设计，推荐使用AXI SmartConnect IP，因为它在面积和时间上提供了更好的向上扩展。对于低性能(AX14-Lite)或中小型复杂性设计，AXI Interconnect IP可能更有效的面积。

AXI Interconnect IP使用方式

对于互联IP的使用，在xilinx的指导手册中提到了下述四种方式。

1. Conversion Only（仅转换操作）

当一个主设备连接到一个从设备时，AXI Interconnect IP可以执行各种转换和流水线功能。这些操作如下述:

数据宽度转换

时钟速率转换

AXI4-Lite从机自适配

AXI4-3从机自适配

流水线，如寄存器或数据通道FIFO操作。

在这些情况下，AXI Interconnect IP不包含仲裁、解码或路由等逻辑。可能会导致延迟，延迟大小取决于正在执行的转换类型。

下图显示了一个转换的示例：

2. N-to-1 Interconnect

AXI Interconnect IP的一个常见退化配置（或者我翻译为简化配置）是多个主设备为访问一个从设备(通常是一个内存控制器)进行仲裁。在这些情况下，地址解码逻辑可能是不必要的，并且在AXI Interconnect IP被省略(除非需要地址范围验证)。在这种配置下，还可以执行数据宽度和时钟速率转换等转换功能。N-to-1 AXI互联示例如下图所示：

3. 1-to-N Interconnect

AXI Interconnect IP的另一种退化配置（简化配置）是当一个主设备(通常是一个处理器)访问多个内存映射的从外围设备时。在这些情况下，仲裁(在地址和写数据路径)不执行。1 - N互联示例如下图所示：

4. N-to-M Interconnect (Sparse Crossbar Mode)

AXI Interconnect的N-to-M用例采用共享地址多数据(SAMD)拓扑，稀疏数据交叉连接，单线程写和读地址仲裁，如下图所示：

下图展示了稀疏交叉写和读数据路径：

根据配置的稀疏连接映射，并行写和读数据通道将每个SI插槽(连接到左边的AXI主机上)连接到它可以访问的所有MI插槽(连接到右边的AXI从机上)。当多个源有数据要发送到不同的目的地时，只要满足AXI排序规则，数据传输就可以独立并发地进行。在所有SI槽(如果> 1)中的写地址通道馈送到一个中心地址仲裁器，它一次授予对一个SI槽的访问权，对于读地址通道也是如此。

AXI4-Stream Interconnect Core IP介绍

AXI4-Stream Interconnect Core IP(axis_interconnect)将一个或多个AXI4-Stream主设备连接到一个或多个AXI4-Stream从设备。AXI4-Stream Interconnect Core IP 仅用于AXI4-Stream 传输;AXI4存储器映射传输不适用。

AXI4-Stream Interconnect Core 内部框图

AXI4-Stream Interconnect Core IP由SI、MI和包括它们之间的AXI通道的功能单元组成。

SI接受来自连接的主设备的事务请求。

MI向从设备发送事务。

在中心是交换机，它仲裁和路由连接到SI和MI的各种设备之间的通信。

AXI4-Stream Interconnect Core IP还包括位于交换机和每个SI和MI接口之间的其他功能单元，可选择性地执行各种转换和存储功能。该开关有效地将AXI4-Stream Interconnect Core IP从SI相关功能单元(SI半球)和MI相关单元(MI半球)中间分开。这个架构类似于AXI Interconnect IP的架构。

AXI4-Stream Interconnect IP使用方式

AXI4-Stream Interconnect IP将一个或多个AXI4-Stream主设备连接到一个或多个AXI4-Stream从设备。对于AXI4-Stream Interconnect IP，主要有两种使用方式：

流数据路由和交换

流多路复用和去多路复用

Streaming Data Routing and Switching (Crossbar Mode)流数据路由和交换

ax14流互连可以实现N × M全交叉开关，如下图所示。它支持从端仲裁，能够在N个主服务器和M个从服务器之间并行数据传输。解码器和仲裁者服务于主从之间的路由数据传输交互。

Stream Multiplexing and De-multiplexing（流多路复用和去多路复用）

你可以在Nx1配置中将AXI4-Stream Interconnect IP配置为一起多路传输流，然后配置为1xM来解多路传输流。使用多路复用和多路复用解复用来创建多通道流，其中较小数量的导线可以携带来自多个主从的共享流量。

例如，在下面的图中，AX14-Stream互连与AXI虚拟FIFO控制器一起用于从多个端点主从复用和解复用多个流。

Reference

正点原子讲解视频

UG1037

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近期设计需要用到AXI总线的IP，所以就对应常用的IP进行简要的说明，本文主要对AXI互联IP进行介绍。

基础架构IP

基础的IP是用于帮助组装系统的构建块。基础架构IP往往是一个通用IP，它使用通用的AXI4接口在系统中移动或转换数据，而不解释数据。

这些基础的IP各自有自己的常用的功能，下面列举出一部分AXI接口的基础构架IP。

° AXI Register slices (for pipelining)用于流水线操作。° AXI FIFOs (for buffering/clock conversion)用于缓存和时钟转换。° AXI Interconnect IP and AXI SmartConnect IP (for connecting memory-mapped IP together)用于连接存储器映射的IP互连。° AXI Direct Memory Access (DMA) engines (for memory-mapped to stream conversion)用于存储器映射和数据流接口的转换。° AXI Performance Monitors and Protocol Checkers (for analysis and debug)用于分析仿真。° AXI Verification IP (for simulation-based verification and performance analysis) 用于仿真验证。

Xilinx AXI SmartConnect IP and AXI Interconnect IP（AXI互联IP）介绍

Xilinx AXI Interconnect IP和AXI SmartConnect IP都可以将一个或多个AXI存储器映射的主设备连接到一个或多个存储器映射的从设备。而使用AXI SmartConnect IP，更紧密地集成到Vivado设计环境中，用户以最小的用户干预自动配置和适应已连接的AXI主从IP。AXI互联IP（AXI SmartConnect IP and AXI Interconnect IP）可以用于所有的存储器映射设计中。

在某些情况下，对于高带宽应用程序，使用SmartConnect IP可以提供更好的优化。AXI SmartConnect IP通过综合针对重要接口进行优化的低区域自定义互连，在低延迟下提供最大的系统吞吐量。

AXI Interconnect IP(axi_interconnect)可以将一个或多个AXI存储器映射的主设备连接到一个或多个存储器映射的从设备。Interconnect 相对于SmartConnect IP更符合来自ARM的AMBA AXI4规范，包括AXI4-Lite 接口。

AXI Interconnect IP和AXI SmartConnect IP仅用于存储器映射传输。AXI4-Stream传输不适用。但可以使用AXI4-Stream Interconnect IP (axis_interconnect)。带有AXI4-Stream接口的IP通常彼此连接到DMA IP或者AXI4-Stream Interconnect IP上。

综上：对于中到高性能设计，推荐使用AXI SmartConnect IP，因为它在面积和时间上提供了更好的向上扩展。对于低性能(AX14-Lite)或中小型复杂性设计，AXI Interconnect IP可能更有效的面积。

AXI Interconnect IP使用方式

对于互联IP的使用，在xilinx的指导手册中提到了下述四种方式。

1. Conversion Only（仅转换操作）

当一个主设备连接到一个从设备时，AXI Interconnect IP可以执行各种转换和流水线功能。这些操作如下述:

数据宽度转换

时钟速率转换

AXI4-Lite从机自适配

AXI4-3从机自适配

流水线，如寄存器或数据通道FIFO操作。

在这些情况下，AXI Interconnect IP不包含仲裁、解码或路由等逻辑。可能会导致延迟，延迟大小取决于正在执行的转换类型。

下图显示了一个转换的示例：

2. N-to-1 Interconnect

AXI Interconnect IP的一个常见退化配置（或者我翻译为简化配置）是多个主设备为访问一个从设备(通常是一个内存控制器)进行仲裁。在这些情况下，地址解码逻辑可能是不必要的，并且在AXI Interconnect IP被省略(除非需要地址范围验证)。在这种配置下，还可以执行数据宽度和时钟速率转换等转换功能。N-to-1 AXI互联示例如下图所示：

3. 1-to-N Interconnect

AXI Interconnect IP的另一种退化配置（简化配置）是当一个主设备(通常是一个处理器)访问多个内存映射的从外围设备时。在这些情况下，仲裁(在地址和写数据路径)不执行。1 - N互联示例如下图所示：

4. N-to-M Interconnect (Sparse Crossbar Mode)

AXI Interconnect的N-to-M用例采用共享地址多数据(SAMD)拓扑，稀疏数据交叉连接，单线程写和读地址仲裁，如下图所示：

下图展示了稀疏交叉写和读数据路径：

根据配置的稀疏连接映射，并行写和读数据通道将每个SI插槽(连接到左边的AXI主机上)连接到它可以访问的所有MI插槽(连接到右边的AXI从机上)。当多个源有数据要发送到不同的目的地时，只要满足AXI排序规则，数据传输就可以独立并发地进行。在所有SI槽(如果> 1)中的写地址通道馈送到一个中心地址仲裁器，它一次授予对一个SI槽的访问权，对于读地址通道也是如此。

AXI4-Stream Interconnect Core IP介绍

AXI4-Stream Interconnect Core IP(axis_interconnect)将一个或多个AXI4-Stream主设备连接到一个或多个AXI4-Stream从设备。AXI4-Stream Interconnect Core IP 仅用于AXI4-Stream 传输;AXI4存储器映射传输不适用。

AXI4-Stream Interconnect Core 内部框图

AXI4-Stream Interconnect Core IP由SI、MI和包括它们之间的AXI通道的功能单元组成。

SI接受来自连接的主设备的事务请求。

MI向从设备发送事务。

在中心是交换机，它仲裁和路由连接到SI和MI的各种设备之间的通信。

AXI4-Stream Interconnect Core IP还包括位于交换机和每个SI和MI接口之间的其他功能单元，可选择性地执行各种转换和存储功能。该开关有效地将AXI4-Stream Interconnect Core IP从SI相关功能单元(SI半球)和MI相关单元(MI半球)中间分开。这个架构类似于AXI Interconnect IP的架构。

AXI4-Stream Interconnect IP使用方式

AXI4-Stream Interconnect IP将一个或多个AXI4-Stream主设备连接到一个或多个AXI4-Stream从设备。对于AXI4-Stream Interconnect IP，主要有两种使用方式：

流数据路由和交换

流多路复用和去多路复用

Streaming Data Routing and Switching (Crossbar Mode)流数据路由和交换

ax14流互连可以实现N × M全交叉开关，如下图所示。它支持从端仲裁，能够在N个主服务器和M个从服务器之间并行数据传输。解码器和仲裁者服务于主从之间的路由数据传输交互。

Stream Multiplexing and De-multiplexing（流多路复用和去多路复用）

你可以在Nx1配置中将AXI4-Stream Interconnect IP配置为一起多路传输流，然后配置为1xM来解多路传输流。使用多路复用和多路复用解复用来创建多通道流，其中较小数量的导线可以携带来自多个主从的共享流量。

例如，在下面的图中，AX14-Stream互连与AXI虚拟FIFO控制器一起用于从多个端点主从复用和解复用多个流。

编辑：jq