本文將介紹高級(jí)可擴(kuò)展接口 （AXI），它是 AMBA 的擴(kuò)展。

AXI 協(xié)議最初是為高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，旨在滿足各種組件的接口要求，同時(shí)允許這些組件的互連方式具有靈活性。適用于高頻、低延遲設(shè)計(jì)，AXI 保持與之前 AMBA 版本的 AHB 和 APB 向后兼容。

了解 AXI 將使您深入了解 SoC 的工作原理，同時(shí)使您成為一名多才多藝的全面設(shè)計(jì)師。

AXI 架構(gòu)

回想一下，AHB（高級(jí)高性能總線）是一個(gè)單通道總線，多個(gè)主機(jī)和從機(jī)使用它來交換信息。優(yōu)先級(jí)仲裁器確定當(dāng)前哪個(gè)主機(jī)使用總線，而中央解碼器執(zhí)行從機(jī)選擇。操作以突發(fā)方式執(zhí)行，可能需要多個(gè)總線周期才能完成。每個(gè)突發(fā)傳輸都包含一個(gè)地址和控制階段，然后是一個(gè)數(shù)據(jù)階段。

AXI 的設(shè)計(jì)理念類似，但使用多個(gè)專用通道進(jìn)行讀寫。AXI 與其前身一樣是基于突發(fā)的，并且在數(shù)據(jù)交換之前使用類似的地址和控制階段。AXI 還包括許多新功能，包括亂序事務(wù)、未對(duì)齊的數(shù)據(jù)傳輸、緩存支持信號(hào)和低功耗接口。

AXI 通道

AXI 主設(shè)備和從設(shè)備之間有五個(gè)獨(dú)立的通道。他們是：

讀取地址通道

讀取數(shù)據(jù)通道

寫地址通道

寫數(shù)據(jù)通道

寫響應(yīng)通道

地址通道用于在主機(jī)和從機(jī)之間執(zhí)行基本握手時(shí)發(fā)送地址和控制信息。數(shù)據(jù)通道是放置要交換的信息的地方。

主機(jī)從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入從機(jī)。讀響應(yīng)信息放在讀數(shù)據(jù)通道上，而寫響應(yīng)信息有一個(gè)專用通道。這樣，master 可以驗(yàn)證寫入事務(wù)是否已完成。

圖 1 顯示了通過五個(gè) AXI 通道連接的 AXI 主設(shè)備和從設(shè)備。

圖 1. AXI 通道

每次數(shù)據(jù)交換都稱為事務(wù)。事務(wù)包括地址和控制信息、發(fā)送的數(shù)據(jù)以及任何響應(yīng)信息。實(shí)際數(shù)據(jù)以包含多次傳輸?shù)耐话l(fā)形式發(fā)送。圖 1 顯示了由 4 個(gè)節(jié)拍或數(shù)據(jù)傳輸組成的讀取和寫入突發(fā)。

我們將在本文后面更詳細(xì)地討論爆發(fā)。

AXI 信號(hào)

與之前 AMBA 版本中的 AHB、ASB 和 APB 信號(hào)非常相似，每個(gè) AXI 通道都有許多與之關(guān)聯(lián)的信號(hào)。有兩個(gè)稱為 ACLK 和 ARESETn 的全局信號(hào)。它們分別是系統(tǒng)的全局時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)。ARESETn 上的“n”后綴表示該信號(hào)低電平有效。

圖 2 顯示了對(duì)應(yīng)于讀取通道的信號(hào)以及全局信號(hào)。

圖 2. 讀取地址、讀取數(shù)據(jù)和全局信號(hào)

每個(gè)通道都有一個(gè)用于亂序交易的 ID 標(biāo)簽。任何具有相同 ID 的事務(wù)必須保持順序，但具有不同 ID 的事務(wù)可以按任何順序完成。這允許較快的事務(wù)在較慢的事務(wù)之前完成，即使較慢的事務(wù)是先發(fā)出的。例如，如果一個(gè) master 正在向多個(gè) slave 寫入數(shù)據(jù)，事務(wù) ID 將允許更快的 slave 更快地完成。

總線寬度是特定于實(shí)現(xiàn)的，但這些信號(hào)以 32 位總線寬度顯示。從機(jī)使用 RLAST 信號(hào)向主機(jī)發(fā)送最后一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)正在傳輸?shù)男盘?hào)。

其他值得注意的信號(hào)包括突發(fā)大小、長度和類型。VALID 和 READY 信號(hào)用于主從之間的握手。這些將在本文后面討論。

緩存、鎖定和保護(hù)信號(hào)分別用于緩存、獨(dú)占訪問（原子操作）和非法訪問保護(hù)。

圖 3. 寫地址、數(shù)據(jù)和響應(yīng)信號(hào)

圖 3 顯示了寫地址、數(shù)據(jù)和響應(yīng)信號(hào)。這些信號(hào)反映了上面的讀取信號(hào)，但被主機(jī)用來向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。WLAST 向從站發(fā)出最后一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)正在發(fā)送的信號(hào)。專用的寫響應(yīng)信號(hào)允許主機(jī)知道寫事務(wù)成功完成。

有關(guān)這些信號(hào)的更詳細(xì)說明，請(qǐng)參閱 AMBA 版本 3.0，特別是AMBA AXI 協(xié)議 v1.0 規(guī)范。

AXI 交易

如前所述，AXI 數(shù)據(jù)傳輸稱為事務(wù)。事務(wù)可以采用讀取或?qū)懭氲男问?，包括地?控制信息、數(shù)據(jù)和響應(yīng)。數(shù)據(jù)以突發(fā)的形式發(fā)送，其中包括稱為節(jié)拍的多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。為了同步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，AXI 主機(jī)和從機(jī)在事務(wù)開始時(shí)使用 READY 和 VALID 信號(hào)執(zhí)行握手。

頻道握手

每個(gè) AXI 通道都包含一個(gè) VALID 和一個(gè) READY 信號(hào)。這些用于同步和控制傳輸速率。這里要記住的重要一點(diǎn)是源或發(fā)送者使用 VALID 信號(hào)來指示數(shù)據(jù)或控制信息可用。目的地或接收者在實(shí)際能夠使用該信息時(shí)發(fā)出 READY 信號(hào)。因此，只有當(dāng) VALID 和 READY 信號(hào)都被斷言時(shí)，才會(huì)發(fā)生傳輸。

圖 4 顯示了工作中的 AXI 握手。注意信息傳輸（用箭頭表示）僅在 VALID 和 READY 都為高時(shí)發(fā)生，無論哪個(gè)先被斷言。另請(qǐng)注意，AXI 對(duì)所有傳輸都使用時(shí)鐘上升沿。

圖 4. AXI 握手機(jī)制（改編自 AXI 規(guī)范 v1.0）

AXI 規(guī)范中的一個(gè)重要注意事項(xiàng)是，一個(gè)組件的 VALID 信號(hào)絕不能依賴于另一個(gè)組件的 READY 信號(hào)。READY 可以等待 VALID 信號(hào)，但不是必須的。遵循這些規(guī)則可以消除發(fā)生死鎖的可能性。如果 VALID 依賴于 READY 并且 READY 依賴于 VALID，那么很容易看出這兩個(gè)信號(hào)都不會(huì)被斷言，因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)都在等待另一個(gè)信號(hào)。

AXI 突發(fā)

AXI 中的數(shù)據(jù)交換采用突發(fā)的形式。每個(gè)突發(fā)由多個(gè)節(jié)拍或數(shù)據(jù)傳輸組成。在事務(wù)開始時(shí)發(fā)送的控制信息指示正在傳輸?shù)耐话l(fā)的長度、大小和類型。

AXLEN［3:0］，X 代表 R 或 W，表示突發(fā)中的節(jié)拍數(shù)。由于 4 位寬，這意味著一個(gè)突發(fā)中最多可以有 16 次傳輸。AXLEN = b0000 表示每連拍一拍。b0001、b0010、b0011的值分別代表2拍、3拍、4拍。這種格局一直延續(xù)到十六歲。組件必須完成 AXLEN 指定的所有節(jié)拍，無論是否使用數(shù)據(jù)。

AXSIZE［2:0］指定突發(fā)的每個(gè)節(jié)拍中有多少字節(jié)。AXSIZE 中的每個(gè)位代表 2 的另一個(gè)冪，“000”代表每拍 1 個(gè)字節(jié)，“111”代表每拍最多 128 個(gè)字節(jié)。這些節(jié)拍的大小不能超過總線寬度。

AXBURST［1:0］確定將執(zhí)行的突發(fā)類型。

AXI 中有三種類型的突發(fā)。他們是：

固定爆發(fā)

遞增爆發(fā)

包裹爆發(fā)

在固定突發(fā)中，每個(gè)節(jié)拍的地址都不會(huì)改變。一個(gè)典型的應(yīng)用是 FIFO 隊(duì)列/緩沖區(qū)。

遞增突發(fā)表示更典型的傳輸類型，其中傳輸?shù)刂吩诿總€(gè)節(jié)拍后遞增。您可以將其視為與基地址的偏移量。

最后的突發(fā)類型是環(huán)繞突發(fā)。回繞突發(fā)類似于遞增突發(fā)，不同之處在于存在回繞邊界，其中一旦地址遞增到該點(diǎn)，它就會(huì)回繞到較低地址。

圖 5 顯示了三種不同類型的 AXI 突發(fā)的簡化視圖。

圖 5. AXI 突發(fā)類型

AXI 互連

AXI 互連允許多個(gè)主設(shè)備和/或多個(gè)從設(shè)備相互連接。AXI 規(guī)范定義了主機(jī)和從機(jī)、主機(jī)和互連以及從機(jī)和互連之間的接口。

實(shí)際上，互連包含連接到 AXI 主設(shè)備的從接口和連接到 AXI 從設(shè)備的主接口?；ミB中發(fā)生的事情——即不同的主機(jī)如何與不同的從機(jī)通信——取決于實(shí)現(xiàn)?；ミB可以允許共享地址總線、共享數(shù)據(jù)總線、兩者共享或都不共享。

在下一篇文章中，我們將了解 AXI 互連、它們的工作原理以及如何在設(shè)計(jì)中使用它們。

結(jié)論

本文是對(duì)高級(jí)可擴(kuò)展接口 （AXI） 協(xié)議的基本介紹。我們查看了 AMBA 第三版中指定的舊版 AXI。正如我上面提到的，您可以參考AMBA AXI 協(xié)議 v1.0（大約一百頁）來更深入地了解 AXI 的第一個(gè)版本。AXI 在 AMBA 修訂版 4 中出現(xiàn)了一些重大變化，其中包含 AXI4、AXI4-Lite 和 AXI4-Stream 等新版本的 AXI。

未來的 AMBA 文章將討論 AXI4 和用于組件之間系統(tǒng)級(jí)緩存一致性的 ACE 協(xié)議（AXI Coherency Extensions）。AXI 已成為現(xiàn)代 SoC 設(shè)計(jì)中廣泛使用的協(xié)議。在學(xué)習(xí) AXI 時(shí)，像 Avalon 和 Wishbone 這樣更簡單的總線協(xié)議會(huì)變得容易得多。