帶寬/BandWidth?和延遲/Latency?是衡量總線性能最重要的兩個(gè)因素。

1.1 What is AMBA??

AMBA全稱Advanced Microcontroller Bus Architecture(高級(jí)微控制總線架構(gòu))，是一種開放的、標(biāo)準(zhǔn)的片上互聯(lián)總線規(guī)范協(xié)議簇。從本質(zhì)上來說，AMBA協(xié)議簇定義了片上功能模塊是如何進(jìn)行相互通信。同時(shí)隨著時(shí)間演化，已經(jīng)從AMBA到現(xiàn)在的AMBA5。協(xié)議簇的演化路徑如下圖所示：

1.2?Example for AMBA

如上圖所示的SoC設(shè)計(jì)實(shí)例。通過AMBA協(xié)議連接了各個(gè)功能模塊，比如CPU、GPU、DMA、DDR等。AMBA協(xié)議通過簡(jiǎn)化和規(guī)范了模塊接口信號(hào)，使得IP設(shè)計(jì)更加靈活兼容的同時(shí)也促進(jìn)了IP的多次復(fù)用。

1.3 This text Focus on

本文主要集中在AMBA協(xié)議中的AXI4協(xié)議。之所以選擇AXI4作為講解，是因?yàn)檫@個(gè)協(xié)議在SoC、IC設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛。

2.1?Brief Introduction of?AXI4?

AXI協(xié)議描述了單向數(shù)據(jù)傳輸的過程，在使用AXI協(xié)議構(gòu)建的系統(tǒng)中，有兩種AXI接口:Manager(Master)、Subordinate(Slave)。AXI Manager接口只能和AXI Subordinate接口連接。AXI Manager(AXI_M)接口發(fā)起AXI讀寫命令，AXI?Subordinate接口接收到AXI讀寫命令之后給出響應(yīng)。
AXI協(xié)議是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口規(guī)范，而不是SoC互聯(lián)總線協(xié)議。所以如果想要連接多個(gè)AXI Master和多個(gè)AXI Slave時(shí)，就需要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)總線結(jié)構(gòu)。如下圖所示：

上文提到，AXI協(xié)議本身只規(guī)定了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口之間的信號(hào)個(gè)數(shù)、時(shí)序特性。所以上圖多個(gè)Master的AXI Interconnect模塊只是在接口上遵守了AXI協(xié)議，互聯(lián)總線內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、仲裁機(jī)制、路由機(jī)制、流控機(jī)制等和AXI協(xié)議本身沒有關(guān)系，取決于設(shè)計(jì)者的思路和應(yīng)用場(chǎng)景。

PS : 可以用Synopsys?DesignWare?、Arm Socrates等工具生成符合應(yīng)用場(chǎng)景(PPA)的AXI接口的互聯(lián)總線。

2.2?AXI Channel Overview

AXI協(xié)議規(guī)定了AXI Manager和AXI Subordinate之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信號(hào)個(gè)數(shù)、時(shí)序特性。AXI協(xié)議用于AXI?Manager和AXI?Subordinate接口之間數(shù)據(jù)的傳輸。AXI協(xié)議將所有的信號(hào)分成五個(gè)通道，分別是寫地址通道(AW)、寫數(shù)據(jù)通道(W)、寫響應(yīng)通道(B)、讀地址通道(AR)、讀數(shù)據(jù)通道(R)。如下圖所示：

寫數(shù)據(jù): 1. Manager 通過Write Address(AW)通道向Subordinate發(fā)出想要寫數(shù)據(jù)的地址 2. Manager 通過Write Data(W)通道向Subordinate發(fā)出寫數(shù)據(jù)
3. Subordinate收到地址和數(shù)據(jù)后完成寫入操作，并通過Write Response(B)通道告訴Manager當(dāng)前的地址和數(shù)據(jù)寫入是否成功(寫響應(yīng)) ? ? 讀數(shù)據(jù)： 1.?Manager 通過Read?Address(AR)通道向Subordinate發(fā)出想要讀數(shù)據(jù)的地址
2.?Subordinate收到地址后，通過Read Data(R)通道向Manager返回需要的數(shù)據(jù)(讀數(shù)據(jù))。

PS?: AXI?Manager在發(fā)起寫操作的時(shí)候，可以先發(fā)寫地址，再發(fā)寫數(shù)據(jù)，最后等待寫響應(yīng)。同時(shí)，AXI?Manager也可以同時(shí)發(fā)出寫地址和寫數(shù)據(jù)，最后等待寫響應(yīng)，如上圖所示。 PS?: AXI協(xié)議所定義的讀寫通道并不對(duì)稱，可以看到寫數(shù)據(jù)包含三個(gè)通道(AW、W、B)，讀數(shù)據(jù)包含兩個(gè)通道(AR、R)。因?yàn)镾lave返回的讀命令響應(yīng)可以伴隨著數(shù)據(jù)一起返回。 ? 2.2?AXI Channel Transfer Overview ? 上文提到，AXI協(xié)議將信號(hào)分為五個(gè)通道。讀寫操作需要五個(gè)通道的配合完成；對(duì)于寫操作，需要AW、W、B通道配合。對(duì)于讀操作，需要AR、R通道配合。 而對(duì)于每個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸，需要通道內(nèi)信號(hào)在時(shí)間上組合來完成數(shù)據(jù)傳輸。如下圖示，AXI協(xié)議中的五個(gè)通道，每個(gè)通道中都有相同的握手機(jī)制。 ?

2.3?AXI Channel Transfer Timing Overview ? 上文提到，AXI協(xié)議中的通道的數(shù)據(jù)傳輸是依靠握手機(jī)制。source通過拉高Valid信號(hào)指示有數(shù)據(jù)發(fā)送。而destination拉高Ready信號(hào)表示可以接收數(shù)據(jù)。只有source和destination同時(shí)有效，數(shù)據(jù)才能完成傳輸。 ?

如圖1所示，source有數(shù)據(jù)發(fā)送，在T2周期拉高valid信號(hào)并保持發(fā)送的數(shù)據(jù)。在T4周期，destination拉高ready信號(hào)表示可以接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在T5周期被完整傳輸。這里的valid和ready同時(shí)為1且時(shí)長(zhǎng)1周期的握手，稱為1次Transfer。
如圖2所示，在T2周期，destination拉高ready信號(hào)表示可以接收數(shù)據(jù)，此時(shí)source并沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，直到T4周期source有數(shù)據(jù)發(fā)送便拉高valid信號(hào)，在T5周期完成一次數(shù)據(jù)傳輸(Transfer)。
如圖3所示，source和destination同時(shí)在T4周期作用，完成一次數(shù)據(jù)傳輸(Transfer)。

PS?:?source和destination之間沒有任何關(guān)系。當(dāng)source有數(shù)據(jù)發(fā)送，拉高valid信號(hào)；當(dāng)destination可以接受數(shù)據(jù)，拉高ready信號(hào)。source和destination根據(jù)自己的情況拉高信號(hào)向?qū)Ψ奖砻饕鈭D。

PS?: 為了避免死鎖產(chǎn)生，需要遵從source不能根據(jù)destination的ready信號(hào)來操作valid信號(hào)，但是ready信號(hào)可以根據(jù)valid信號(hào)來設(shè)置。舉例來說，source和destination可以認(rèn)為是談戀愛的雙方：

1. source可以主動(dòng)表達(dá)自己心意，destination也可以主動(dòng)表示自己心意，兩者沒有依賴關(guān)系可以達(dá)到目的。

2. source可以向destination表達(dá)自己心意，destination根據(jù)source表達(dá)過來的心意可以回復(fù)source也能達(dá)到目的。

3. 當(dāng)source等待destination主動(dòng)表達(dá)心意，destination也等待source主動(dòng)表達(dá)心意，沒有人主動(dòng)表達(dá)自己的心意，那么就會(huì)陷入互相等待形成死鎖(事則不成)。

PS?: source有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，拉高valid信號(hào)。此時(shí)source只有等待destination接受這筆數(shù)據(jù)才可以拉低valid信號(hào)(圖1)（發(fā)數(shù)據(jù)要慎重，一旦發(fā)起必須等到對(duì)方接受才能恢復(fù)，即valid:?發(fā)數(shù)據(jù)，須慎重，一旦發(fā)，必須接，接完后，才能動(dòng)）

PS?:?destination比較靈活，可以根據(jù)自身情況拉高拉低ready信號(hào)。但是當(dāng)valid為1時(shí)，destination拉高ready信號(hào)時(shí)，必須接受這筆數(shù)據(jù)才可以拉低ready信號(hào)（ready:?接數(shù)據(jù)，隨意動(dòng)，源有效，必須接，接完后，才能動(dòng)）。如下圖，在T2、T4周期使用ready表示自己可以接收數(shù)據(jù)，但在下一周期又認(rèn)為自己接受不了而拉低ready信號(hào)。在T6周期，valid和ready都拉高的時(shí)候，必須接收這筆數(shù)據(jù)才能進(jìn)行下面操作。

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2.4?AXI Channel Transcation?Timing Overview

2.41 Write Transcation : single data
寫操作時(shí)序圖1：?jiǎn)螖?shù)據(jù)
如上文所示，Manager向Subordinate寫數(shù)據(jù)時(shí)，Manager先發(fā)送寫地址，再發(fā)送寫數(shù)據(jù)，最后等待Subordinate的響應(yīng)。時(shí)序圖如下：

如上圖所示，每個(gè)通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不一致，但是都通過相似的握手信號(hào)來完成數(shù)據(jù)的交互。從AW通道的地址信號(hào)開始，接著W通道的數(shù)據(jù)到最后的B通道的響應(yīng)，這一完整的過程稱為一次Transaction。

寫操作時(shí)序圖2：?jiǎn)螖?shù)據(jù)
如上文所示，Manager向Subordinate寫數(shù)據(jù)時(shí)，Manager同時(shí)發(fā)送寫地址和寫數(shù)據(jù)，最后等待Subordinate的響應(yīng)。時(shí)序圖如下：

2.42?Read?Transcation : single data
讀操作時(shí)序圖：?jiǎn)螖?shù)據(jù)
如上文所示，Manager向Subordinate讀數(shù)據(jù)時(shí)，Manager先發(fā)送讀地址，然后等待Subordinate的響應(yīng)。時(shí)序圖如下：

2.43?Write?Transcation : multi?data
寫操作時(shí)序：多數(shù)據(jù)
如上文所示，Manager向Subordinate寫多個(gè)數(shù)據(jù)，Manager發(fā)送寫地址和寫數(shù)據(jù)，等待Subordinate的響應(yīng)。時(shí)序圖如下：

在這里，從第一個(gè)寫數(shù)據(jù)到最后一個(gè)寫數(shù)據(jù)(data1~data8)，在一個(gè)Transaction中，整個(gè)W通道的數(shù)據(jù)過程稱為一次寫B(tài)urst；寫B(tài)urst內(nèi)部每一拍的數(shù)據(jù)稱為一個(gè)寫B(tài)eat。
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2.44 Read?Transcation : multi?data
讀操作時(shí)序：多數(shù)據(jù)
如上文所示，Manager向Subordinate讀數(shù)據(jù)時(shí)，Manager先發(fā)送讀地址，然后等待Subordinate的響應(yīng)。時(shí)序圖如下：

對(duì)比讀操作和寫操作的波形可以明顯看出讀寫通道的不對(duì)稱?？梢钥吹?strong>每一個(gè)讀數(shù)據(jù)都有一個(gè)匹配的讀響應(yīng)伴隨，讀響應(yīng)借助讀數(shù)據(jù)通道返回。而寫操作波形圖中，有專門的通道(B通道)進(jìn)行寫操作的響應(yīng)。
寫響應(yīng)在寫數(shù)據(jù)操作完成之后返回一個(gè)寫響應(yīng)，而對(duì)讀操作來說，伴隨著每個(gè)數(shù)據(jù)都有一個(gè)讀響應(yīng)。這也能體現(xiàn)兩者不對(duì)稱。

在這里，從第一個(gè)讀數(shù)據(jù)到最后一個(gè)讀數(shù)據(jù)(data0~data5)，在一個(gè)Transaction中，整個(gè)R通道的數(shù)據(jù)過程稱為一次讀Burst；讀Burst內(nèi)部每一拍的數(shù)據(jù)稱為一個(gè)讀Beat。
這也就是AMBA spec提到的AXI協(xié)議是基于Burst的傳輸(The AXI protocol is burst-based)。

3.?AXI Channel dependencies

雖然這一節(jié)會(huì)提及通道依賴性，但其實(shí)來說，通道依賴性已經(jīng)在上文中完整體現(xiàn)，即：
1.寫通道的依賴性：寫操作由地址和數(shù)據(jù)開始，到寫響應(yīng)完成。這就定義了第一條依賴性：寫響應(yīng)要在地址和數(shù)據(jù)之后。
2.讀通道的依賴性：讀操作由讀地址開始，到讀數(shù)據(jù)和讀響應(yīng)完成。這就定義了第二條依賴性：讀數(shù)據(jù)和讀響應(yīng)要在讀地址之后。

上面通道依賴性很好理解，只有當(dāng)slave收到命令之后才能給出響應(yīng)：對(duì)于寫通道的依賴性就是寫地址和寫數(shù)據(jù)都到達(dá)slave，這時(shí)候slave完成寫操作并給出寫響應(yīng)。對(duì)于讀通道的依賴性就是讀地址到達(dá)slave后，slave返回讀取的數(shù)據(jù)和讀響應(yīng)。如下AMBA spec原圖所示：

除過上圖所示的依賴特性，在AXI4協(xié)議里面沒有規(guī)定其他任何的依賴關(guān)系。

審核編輯：黃飛