浅谈AXI协议及搭建自己的AXI IP核-01（协议解读）

一、什么是AXI协议？

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，AMBA包括以下几个部分：

1. Advanced High-performance Bus (AHB)：高性能总线，用于连接高性能主设备，如处理器和DMA控制器等。AHB总线具有多主从设备、分时复用等特点，支持带宽请求、优先级传输和错误处理等功能。
2. Advanced Peripheral Bus (APB)：外设总线，用于连接低速器件，例如控制器和定时器等。它是单主多从的设备总线，APB总线是一种简单的串行总线，具有定时器可编程特性，其速度较慢，但其节点可达数目较多。
3. Advanced eXtensible Interface (AXI)：可扩展性接口，用于连接系统中高速器件之间的互连。AXI是多主和多从设备的连接，AXI总线支持优先级传输、带宽请求、流水线传输和乱序传输等功能，是AMBA规范中最高级别的总线接口协议。
   
   学过STM32的同学应该很眼熟APB总线，在STM32等微处理器架构中GPIO等外设都是挂载在APB总线上的，具体APB协议这里不过多深入。
   
   而AXI由于地址/控制和数据相位是分离的，支持不对齐的数据传输及突发传输的特点，因此在擅长高速、高数据量的FPGA上大放异彩。
   
   二、为什么要学习AXI协议
   
   在学习xilinx FPGA过程中我们会经常遇到AXI接口，特别在ZYNQ架构上，ZYNQ-7系列上集成了2个异构高性能A9处理器以及FPGA资源，因此需要一种接口用来实现FPGA与ARM的高速数据交换，而由于上述AXI总线的天然优势使之自然而然地承担了该任务。同时xilinx的一些其他高速接口的IP核的控制（PCIE、DDR等）也是通过AXI接口实现的。因此想要学习ZYNQ架构或者处理高速信号，AXI协议都是绕不过去的门槛。
   
   三、AXI协议
   
   AXI协议定义了五个独立的事务通道。地址通道携带着控制信息，用于描述传输数据的性质。五个独立通道都由一组信息信号、以及提供双向握手机制的VALID和READY信号组成。
   
   下面结合读写过程，对5个通道进行说明，
4. 写过程
   
   
   
   上图表示了一次AXI写的过程，
   
   写地址通道：首先Master在写地址通道（write address channel）发起一次写地址请求，表明自己写入的数据将存储至哪个地址。
   
   写数据通道：随后Master在写数据通道（write data channel）写入数据，注意，axi是支持突发传输（即给一个起始地址，可以连续写入多个数据，第二次写地址时地址自增写入数据长度即可），因此可以看到写数据通道写入了多个数据，这些数据在地址上是连续的。例如假设数据位宽为16bit（2Byte），突发长度为8（一次写入8个数据），那么写地址每次需要增加 2*8 。
   
   写应答通道：由于双方已经约定好了数据位宽及突发长度，所以在Mater写完最后一个数据（wlast）后，Slave会进行写通道和写数据的应答，表示Slave已经成功完成接受这一次突发写入内容。
5. 读过程
   
   
   
   上图表示了一次AXI读过程，
   
   读地址通道：Master在读地址通道写入想要读取的数据地址，
   
   读数据通道：Slave在读数据通道将该地址的突发长度数据返回给Master
6. 握手机制
   
   值得注意的是，在这5个通道所产生的读写事务都是基于握手机制完成的，主从通信都使用相同的VALID/READY握手过程来传输地址、数据和控制信息。这种双向流控制机制意味着Master和Slave都可以控制信息的移动速率。传输只发生在VALID和READY信号都是1的时候。

• 源端产生VALID=1信号：表示地址、数据或控制信息可用。
• 终端生成READY=1信号：表示可以接受该信息。
  
  那么就存在一个问题，握过程中VALID和READY的前后关系，或者握手过程是怎么样的？
  
  AXI支持三种形式的握手形式：

1. VALID before READY:
   
   
   
   源端发起VALID后必须等到终端回应READY后才可以释放VALID。
2. READY before VALID :
   
   
   
   终端先产生READY信号，源端产生VALID，终端拉高READY后可以取消拉高，不必一直保持到完成握手。
3. VALID with READY:
   
   

VALID和READY信号同时拉高，完成握手。

4. 读写时序

1. 写时序图
   
   

2. 读时序