AMBA_AXI4協議.ppt

AMBA AXI4協議,何賓 2012.02,本章內容,AMBA AXI4協議是由Xilinx公司和ARM公司制定的 用于SOC內IP互聯的規(guī)范。 本章詳細介紹了AXI4規(guī)范。主要內容包括AXI概 述、AXI4功能、AXI4-Lite功能和AXI4-Stream功能等。 其中AXI4功能、AXI4-Lite功能和AXI4-Stream功能 是本章的重點內容，也是構成AXI4協議的主要部分。,AXI概述,Xilinx 同 ARM 密切合作，共同為基于 FPGA 的高性 能系統(tǒng)和設計定義了 AXI4 規(guī)范。并且在其新一代可編 程門陣列芯片上采用了高級可擴展接口（Advanced eXtensible Interface, AXI）協議。 AXI總線是ARM高級微控制器總線結構(Advanced Microcontroller Bus Architecture, AMBA)的一部分。AXI 總線的第一個版本包含在AMBA3.0（2003年發(fā)布）中， AXI總線的第二個版本AXI4包含在AMBA4.0（2010年發(fā) 布）中。,AXI概述,最新一代的AMBA接口的目標是： （1）適合于高帶寬和低延遲設計； （2）在不使用復雜的橋接方式下，允許更高頻率的操作； （3）滿足普遍情況下的元件接口要求； （4）適用于高初始訪問延遲的存儲器控制器； （5）為互聯結構的實現提供了靈活性； （6）與已有的AHB和APB接口向下兼容。,AXI概述,AXI協議的關鍵特性表現在以下幾個方面： （1）獨立的地址/控制和數據階段； （2）使用字節(jié)選通，支持非對齊的數據傳輸； （3）只有開始地址的猝發(fā)交易； （4）獨立的讀和寫數據通道，可以使能低成本的直接存 儲器訪問DMA傳輸； （5）能發(fā)出多個未解決的地址； （6）完成無序交易； （7）容易添加寄存器切片，滿足時序收斂要求；,AXI概述 - AXI協議的優(yōu)勢,1提供了更高的生產率，主要體現在以下幾個方 面： （1）將多種不同的接口整合到一個接口（AXI4）中，因此 用戶僅需了解單個系列的接口； （2）簡化了不同領域 IP 的集成，并使自身或第三方合作伙 伴 IP 的開發(fā)工作更簡單易行； （3）由于AXI4 IP 已為實現最高性能、最大吞吐量以及最低 時延進行了優(yōu)化，從而使設計工作進一步獲得簡化；,AXI概述,2提供了更大的靈活性，主要體現在以下幾個 方面： （1）支持嵌入式、DSP 及邏輯版本用戶； （2）調節(jié)互連機制，滿足系統(tǒng)要求：性能、面積及功耗； （3）幫助設計者在目標市場中構建最具號召力的產品；,AXI概述,3提供了廣泛的 IP 可用性 （1）第三方 IP 和 EDA 廠商普遍采用開放式 AXI4 標 準，從而使該接口獲得了更廣泛的應用。 （2）基于 AXI4 的目標設計平臺可加速嵌入式處理、 DSP以及連接功能設計開發(fā)。,AXI4功能,AXI4協議基于猝發(fā)式傳輸機制。在地址通道上， 每個交易有地址和控制信息，這些信息描述了需要傳 輸的數據性質。 在主設備和從設備之間所傳輸的數據分別使用到 從設備的寫數據通道和到主設備的讀數據通道。 在從主設備到從設備的寫數據交易中，AXI有一個 額外的寫響應通道，從設備通過該通道向主設備發(fā)出 信號表示完成寫交易。,AXI4功能,所有的AXI4包含了5個不同的通道： （1）讀地址通道（Read address channel, AR) ； （2）寫地址通道(Write address channel, AW)； （3）讀數據通道(Read data channel, R)； (4) 寫數據通道(Write data channel, W)； (5) 寫響應通道(Write response channel, B)；,AXI4功能,每個通道由一個信號集構成，并且使用雙向的 VALID和READY握手信號機制。 信息源使用VALID信號，表示在通道上存在可用 的有效數據或者控制信息；而信息接收源使用READY 信號，表示可以接收數據。 讀數據通道和寫數據通道也包含LAST信號，該信 號用來表示在一個交易發(fā)生時，最后一個傳輸的數據 項。,AXI4功能,圖2.1給出了AXI4使用讀地址和讀數據通道的讀 交易。圖2.2給出了AXI4使用寫地址和寫數據通道的 寫交易,AXI4功能,AXI4全局信號,低功耗接口信號,AXI4通道及信號,讀和寫交易有各自的地址通道。地址通道上給出交易 所要求的地址和控制信息。AXI4讀和寫地址通道包括下面 的機制： （1）可變長度的猝發(fā)操作，每次猝發(fā)操作包含1-256數據； （2）提供服務質量（QoS）信號 （3）支持多個區(qū)域接口； （4）猝發(fā)傳輸不能超過4k邊界； （5）包裹、遞增和非遞增猝發(fā)； （6）使用互斥和鎖的原子操作； （7）系統(tǒng)級緩存和緩沖控制； （8）安全和特權訪問。,AXI4通道及信號 -讀和寫地址通道 （寫地址）,AXI4通道及信號 -讀和寫地址通道 （讀地址）,AXI4通道及信號 -讀數據通道,讀數據通道傳送所有來自從設備到主設備的讀 數據及讀相應信息。表2.5給出了讀數據通道信號及 其信號定義。 讀數據通道包括： (1) 數據總線寬度：8、16、32、64、128、256、 512和1024位寬度； (2) 讀響應表示讀交易完成的狀態(tài),AXI4通道及信號 -讀數據通道,AXI4通道及信號 -寫數據通道,寫數據通道傳送所有從主設備到從設備的寫數據。 表2.6給出了寫數據通道信號及信號定義。寫數據通道 包括： (1) 數據總線寬度：8、16、32、64、128、256、 512和1024位寬度； (2) 每8位有一個字節(jié)通道選通，用來表示數據總線 上的哪個字節(jié)是有效的；,AXI4通道及信號 -寫數據通道,AXI4通道及信號 -寫響應通道,寫響應通道提供了一種方法，用于從設備響應寫 交易。所有的寫信號使用完成信號。每個響應用于一 次猝發(fā)的完成，而不是用于每個交易的數據。 讀交易和寫交易可以通過下面的交易例子進行說 明： 1）讀猝發(fā)交易 2）重疊猝發(fā)交易 3）寫猝發(fā)交易,AXI4通道及信號 -寫響應通道,AXI4通道及信號 -寫響應通道,圖2.3給出了讀猝發(fā)交易過程中典型信號的交互 過程。,圖2.3讀猝發(fā)交易過程中典型信號的交互過程,AXI4通道及信號 -寫響應通道,圖2.4給出了寫交易過程中典型信號的交互過程。,圖2.4寫猝發(fā)交易過程中典型信號的交互過程,AXI4交易通道的握手信號關系,為了避免死鎖條件，必須考慮握手信號之間存在的 依賴關系。在任何交易中： (1) AXI互聯中的VALID信號不依賴于交易中其它元件的 READY信號； (2) READY信號能等待VALID信號的確認；,AXI4交易通道的握手信號關系 -AXI4讀交易的握手信號關系,圖2.5給出了讀交易中握手之間的依賴關系。,圖2.5 讀交易中的握手之間的依賴關系,AXI4交易通道的握手信號關系 -AXI4讀交易的握手信號關系,在讀交易中： (1) 在確認ARREADY信號前，從設備能等待確認ARVALID信 號； (2)在從設備通過確認RVALID信號開始返回數據前，必須等待 確認所有的ARVALID和ARREADY信號；,AXI4交易通道的握手信號關系 -AXI4寫交易的握手信號關系,圖2.6給出了寫交易中握手之間的依賴關系。,圖2.6 寫交易中的握手之間的依賴關系,AXI4交易通道的握手信號關系 -AXI4寫交易的握手信號關系,在寫交易中： (1) 在確認AWVALID和WVALID信號前，主設備不需要等待從 設備確認AWREADY或者WREADY信號； (2) 在確認AWREADY前，從設備能等待AWVALID或WVALID 信號，或者全部這兩個信號； (3) 在確認WREADY前，從設備能等待AWVALID或WVALID信 號，或者全部這兩個信號； (4) 從設備在確認BVALID前，從設備必須等待確認所有的 AWVALID和AWREADY信號； (5) 在確認BVALID前，從設備不需要等待主設備確認BREADY 信號。 (6) 在確認BREADY前，主設備能等待BVALID信號；,AXI4猝發(fā)類型及地址計算 -AXI4猝發(fā)類型,AXI協議中定義了三種猝發(fā)類型： (1) 固定猝發(fā)（Fixed burst）； (2) 遞增猝發(fā)（Incrementing burst）； (3) 包裹猝發(fā)（Wrapping burst） 表2.8給出了ARBURST和AWBURST信號所選擇的 猝發(fā)類型：,AXI4猝發(fā)類型及地址計算 -AXI4猝發(fā)類型,AXI4猝發(fā)類型及地址計算 -AXI4猝發(fā)類型,對于包裹式的猝發(fā)方式，有兩個限制： (1) 開始地址必須對齊傳輸大小； (2) 猝發(fā)的長度必須是2，4，8或16。 (3) 大于16拍的猝發(fā)傳輸只支持INCR類型。WRAP和 FIXED類型只限于小于16拍的猝發(fā)傳輸。,AXI4猝發(fā)類型及地址計算 -AXI4猝發(fā)地址,為了說明猝發(fā)交易過程中地址的計算方法，首先給出 計算過程中，所需要使用的一些術語： (1) Start_Address: 主設備給出的開始地址； (2) Number_Bytes: 每次數據傳輸過程中最大的字節(jié)個數； (3) Data_Bus_Bytes: 數據總線上的字節(jié)通道的個數； (4) Aligned_Address: 開始地址的對齊版本； (5) Burst_Length: 在一個猝發(fā)中數據傳輸的總個數； (6) Address_N: 在一個猝發(fā)中傳輸N個的地址； (7) Wrap_Boundary: 在一個包裹猝發(fā)方式的低地址； (8) Lower_Byte_Lane: 一個傳輸最低尋址字節(jié)的字節(jié)通道； (9) Upper_Byte_Lane: 一個傳輸中最高尋址字節(jié)的字節(jié)通道； (10) INT(x): x取整操作；,AXI4猝發(fā)類型及地址計算 -AXI4猝發(fā)地址,給上面的術語進行如下的賦值操作： (1) Start_Address=ADDR； (2) Number_Bytes=2SIZE； (3) Burst_Length=LEN+1； (4)Aligned_Address=(INT(Start_Address/Number_Byte)x Number_Bytes；,AXI4猝發(fā)類型及地址計算 -AXI4猝發(fā)地址,在一個猝發(fā)中，第一個傳輸的地址表示為： Address_1=Start_Address； 在一個猝發(fā)中，傳輸N個數據后的地址表示為： Address_N=Aligned_Address+（N-1）x Number_Bytes； 對于WARP的猝發(fā)方式，其邊界由下式確定為： Wrap_Boundary=(Int(Start_Address/(Number_Bytes x Burst_Length) x (Number_Bytes x Burst_Length)； 如果Address_N=Wrap_Boundary+(Number_Bytes x Burst_Length). 則使用這個等式： Address_N=Wrap_Address 在邊界后，使用這個等式： Address_N = Start_Address + (N 1) x Number_Bytes) (Number_Bytes x Burst_Length)；,AXI4猝發(fā)類型及地址計算 -AXI4猝發(fā)地址,使用下面的等式確定第一個傳輸中使用哪個字 節(jié)通道： Lower_Byte_Lane = Start_Address - (INT(Start_Address / Data_Bus_Bytes)x Data_Bus_Bytes Upper_Byte_Lane = Aligned_Address + (Number_Bytes 1) -(INT(Start_Address / Data_Bus_Bytes) x Data_Bus_Bytes；,AXI4猝發(fā)類型及地址計算 -AXI4猝發(fā)地址,使用下面的等式確定在一個猝發(fā)中第一個傳輸 后用于所有傳輸中使用哪個字節(jié)通道： Lower_Byte_Lane = Address_N (INT(Address_N / Data_Bus_Bytes) x Data_Bus_Bytes； Upper_Byte_Lane = Lower_Byte_Lane + Number_Bytes 1； 傳輸數據的范圍在： DATA(8xUpper_Byte_Lane) + 7 : (8 x Lower_Byte_Lane)；,AWCACHE和ARCACHE屬性 AWCACHE3:2和ARCACHE3:2,AWCACHE2和ARCACHE2為讀分配位。 AWCACHE3和ARCACHE3為寫分配位。 對于讀交易，寫分配位表示： (1) 由于一個寫交易，位置能預先在高速緩存Cache中進行分 配； (2) 由于其它主設備的行為，位置能預先在高速緩存Cache中 進行分配； (3) 對于寫交易，讀分配位表示： (4) 由于一個讀交易，位置能預先在高速緩存Cache中進行分 配； (5) 由于其它主設備的行為，位置能預先在高速緩存Cache中 進行分配；,AWCACHE和ARCACHE屬性AWCACHE1和ARCACHE1,AWCACHE1和ARCACHE1在AXI4中表示可修改 位。該位為1時，表示交易是可修改的，否則交易時不可 修改的。 1不可修改的交易 不可修改交易不能分割成多個交易或者與其它交易合 并。交易不可修改時，下面的參數是不可修改的：傳輸地 址（AWADDR, ARADDR, AWREGION, ARREGION）、 猝發(fā)大?。ˋWSIZE, ARSIZE）、猝發(fā)長度（AWLEN, ARLEN）、猝發(fā)類型（AWBURST. ARBURST）、鎖類 型（AWLOCK, ARLOCK）、保護類型（AWPROT， ARPROT）。,AWCACHE和ARCACHE屬性AWCACHE1和ARCACHE1,不可修改交易中，交易ID和QoS值是可修改的。對 于猝發(fā)長度大于16的不可修改的交易，允許分割成多 個交易。每個產生的交易都滿足上面的要求，但減少 猝發(fā)長度，所產生的猝發(fā)地址也相應的修改。,AWCACHE和ARCACHE屬性AWCACHE1和ARCACHE1,2可修改的交易 可修改的交易可以通過下面的方法進行操作： (1) 交易能分割成多個交易； (2) 多個交易能合并成一個交易； (3) 讀交易能取出比要求多的數據； (4) 寫交易能訪問比要求更大的地址范圍，使用寫選通信號 來保證只更新合理的位置； (5) 可以修改每個產生交易的傳輸地址（AWADDR, ARADDR）、猝發(fā)大?。ˋWSIZE, ARSIZE）、猝發(fā)長度 （AWLEN, ARLEN）、猝發(fā)類型（AWBURST. ARBURST） 但是不能修改鎖類型（AWLOCK, ARLOCK）、保護類型 （AWPROT，ARPROT）?？尚薷慕灰字?，交易ID和QoS值是 可修改的。,AWCACHE和ARCACHE屬性AWCACHE0和ARCACHE0,AWCACHE0和ARCACHE0表示可緩沖，當為 低，AWCACHE0表示寫響應由終端設備發(fā)出，否則 可以有中間設備發(fā)出。ARCACHE0表示讀數據由終 端設備發(fā)出或者由寫的是最終目的地發(fā)出。,AXI互聯結構模型,其互聯結構模型包括： 直通模式； 只轉換模式； N-1互聯模式； 1-N互聯模式； N-M互聯模式。 下面對這幾種互聯結構模型進行介紹:,AXI互聯結構模型 -直通模式,如圖2.7所示，當只有一個主設備和一個從設備和 AXI互聯時，AXI互聯不執(zhí)行任何轉換或流水線功能， AXI互聯結構退化成直接的線連接。在這種模式下，沒 有延遲存在，同時不消耗邏輯資源。,AXI互聯結構模型 -只轉換模式,如圖2.8所示，當連接一個主設備和一個從設備時， AXI互聯能執(zhí)行不同的轉換和流水線功能。這些功能主 要包括： 數據寬度轉換； 時鐘速率轉化； AXI4-Lite從適應； AXI-3從適應； 流水線（例如一個寄存器Slice或者數據通道FIFO）。 在只轉換模式下，AXI互聯不包含仲裁、解碼或布線 邏輯，但是可能產生延遲。,AXI互聯結構模型 -只轉換模式,AXI互聯結構模型 -N-1互聯模式,如圖2.9所示，AXI互聯的一個普通的退化配置模 式是，多個主設備訪問一個從設備。 典型的情況是，一個存儲器控制器，很顯然需要仲 裁邏輯。這種情況下，AXI互聯不需要地址譯碼邏輯 （除非需要確認地址的有效范圍）。在這個配置中， 也執(zhí)行數據寬度和時鐘速率的轉換。,AXI互聯結構模型 -N-1互聯模式,AXI互聯結構模型 -1-N互聯模式,如圖2.10所示，另一個AXI互聯退化的結構是，一 個主設備，典型的處理器，訪問多個存儲器映射的從 外設。在這種模式下，AXI互聯不執(zhí)行仲裁(在地址和 寫數據通道)。,AXI互聯結構模型 -N-M互聯模式,AXI互聯提供了一種共享地址多數據流（SAMD） 拓撲結構，這種結構中包含稀疏的數據交叉開關連 接，單線程寫和讀地址仲裁。如圖2.11所示，給出了一 種共享寫和讀地址仲裁的N-M的AXI互聯結構。,AXI互聯結構模型 -N-M互聯模式,用戶信號,通常情況下，不推薦使用用戶信號，因為在AXI4協 議中沒有定義它們的功能，這樣兩個元件在不兼容行 為下使用相同的用戶信號，可能導致互操作性問題。 下面給出每個AXI4通道的用戶信號名字： AWUSER：寫地址通道用戶信號； ARUSER：讀地址通道用戶信號； WUSER：寫數據通道用戶信號； RUSER：讀數據通道用戶信號； BUSER：寫響應通道用戶信號；,用戶信號,當實現用戶信號時，并不要求所有通道支持用戶 信號。此外，不希望在一個通用的主設備和從設備元 件接口支持用戶信號。 推薦，包含支持用戶信號的互聯元件允許這些信 號在主設備和從設備之間進行傳遞。用戶信號的寬度 在實現時定義，在每個通道的寬度可以不同。,AXI4-Lite功能,AXI4-Lite接口是AXI4接口的子集專用于和元件內的 控制寄存器進行通信。AXI4-Lite允許構建簡單的元件接 口，這個接口是較小的，對設計和驗證方面的要求更 少。AXI4-Lite接口的關鍵特性包含： 所有交易的猝發(fā)長度為1； 所有訪問數據的大小和數據總線寬度相同； 支持數據總線寬度為32位或64位（要求64位原子訪問）； 所有的訪問相當于AWCACHE和ARCACHE等于b0000(非緩沖和非緩存的)； 不支持互斥性操作；,AXI4-Lite功能,AXI4-Lite功能,支持多個未完成的交易，但是一個從設備的設計 允許通過合理的使用握手信號，對這種交易進行限制。 在AXI-Lite中不支持AXI IDs。這個定義規(guī)定了所 有的交易必須是順序的，所有的交易必須使用一個單 獨固定的ID值。 從設備可選擇支持AXI ID信號，這樣允許使用的從 設備是全AXI接口，而不需要對接口進行修改。,AXI4-Lite功能,AXI4-Lite支持寫選通。這樣允許實現多個不同大 小的寄存器，也允許實現可以使用字節(jié)和半字訪問進 行寫操作的存儲器結構。所有的主接口和互聯必須提 供正確的寫選通信號。所有的從設備元件可以選擇是 否使用寫選通信號。對于提供類似存儲器行為的從設 備元件必須充分的支持寫選通。,AXI4-Lite功能,表2.10給出了AXI和AXI4-Lite的互通性。只有主設 備是AXI和從設備是AXI-Lite的情況需要特殊的考慮，這 種情況要求反映ID，使用和地址交易相關的AXI ID，然 后隨讀數據或者寫響應返回相同的ID號，這是因為主設 備需要返回的ID來正確識別交易的響應。,AXI4-Lite功能,AXI4-Stream功能,AXI4-Stream協議作為一個標準的接口，這個接口 用于連接希望交換數據的元件。接口用于將產生數據 的一個主設備和接收數據的一個從設備連接。當很多 元件和從元件連接時，也能使用這個協議。協議支持 使用具有相同設置共享總線的多個數據流，允許建立 一個互聯結構，這個結構能夠執(zhí)行擴展、壓縮和路由 操作。 AXI-Stream接口支持很多不同的流類型。流協議在 傳輸和包之間定義了聯系。表2