AXI总线协议简述
前言
AXI（Advanced eXtensible Interface）是 AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议家族的一部分，由 ARM 公司制定。AXI 是一种高性能、可扩展的总线协议，广泛用于 SoC（System on Chip） 设计中，特别适用于高带宽、低延迟的应用。它主要用于在系统中不同组件之间传输数据和控制信号，尤其是 CPU、内存、外设之间的通信。
AXI 协议的特点是支持 高吞吐量 和 低延迟 的数据传输，具备 多主多从结构，并且支持 独立的读写通道，从而提高总线的效率。下面是对 AXI 协议的详细介绍。
AXI 总线的核心特性
独立的读写通道：
AXI 协议将读操作和写操作分成了两个完全独立的通道，分别通过 读通道 和 写通道 传输。这意味着读和写操作可以同时进行，彼此互不干扰，极大提高了系统的吞吐量和性能。握手机制：
AXI 使用valid和ready信号来协调数据的传输，确保发送方和接收方在数据传输前都准备好。valid信号表明数据有效，ready信号表明接收方准备好接受数据，只有两者同时为高电平时，数据传输才会进行。这种握手机制保证了通信的可靠性和同步性。地址与数据分离：
AXI 协议将地址和数据分为不同的信号通道，地址的传输与数据的传输是独立的。它采用地址提前机制，即地址通道先行，数据通道随后，这种设计减少了数据传输的等待时间。突发传输（Burst Transfer）：
AXI 支持突发传输，一次传输可以连续发送多笔数据，且这些数据共享同一个起始地址。突发传输有三种类型：- 固定突发：每次传输的地址保持不变。
- 递增突发：每次传输的地址递增。
- 包装突发：地址以固定的包长度循环变化。
低延迟高带宽：
AXI 协议通过分离地址和数据通道、独立的读写通道，以及支持突发传输的特性，能够提供低延迟和高带宽的数据传输能力。
AXI 通道
AXI 协议将总线操作分为以下 5 个独立的通道：
读地址通道（Read Address Channel）：
- 用于发送读操作的地址。
- 信号主要有：
ARADDR（读地址）、ARVALID（地址有效信号）、ARREADY（地址准备好信号）等。
读数据通道（Read Data Channel）：
- 用于从从设备返回读操作的数据。
- 信号主要有：
RDATA（读数据）、RVALID（数据有效信号）、RREADY（接收端准备好信号）、RRESP（读响应）等。
写地址通道（Write Address Channel）：
- 用于发送写操作的地址。
- 信号主要有：
AWADDR（写地址）、AWVALID（地址有效信号）、AWREADY（地址准备好信号）等。
写数据通道（Write Data Channel）：
- 用于发送写操作的数据。
- 信号主要有：
WDATA（写数据）、WSTRB（写数据的字节掩码）、WVALID（数据有效信号）、WREADY（接收端准备好信号）等。
写响应通道（Write Response Channel）：
- 用于从从设备返回写操作的结果。
- 信号主要有：
BVALID（写响应有效信号）、BREADY（接收端准备好信号）、BRESP（写响应信号）等。
AXI 信号详细说明
每个通道都使用 VALID 和 READY 信号来进行握手，确保主设备和从设备双方都准备好进行数据传输。
- VALID：发送方用来指示当前信号有效。
- READY：接收方用来指示它准备好接收数据。
当 VALID 和 READY 同时为高时，数据或地址才能传输。下面是每个通道的具体信号：
**读地址通道 (Read Address Channel)**：
ARADDR：读地址。ARVALID：读地址有效。ARREADY：从设备准备好接收地址。
**读数据通道 (Read Data Channel)**：
RDATA：读数据。RVALID：数据有效。RREADY：主设备准备好接收数据。RRESP：读响应（通常表示是否读取成功，如OKAY，SLVERR，DECERR）。
**写地址通道 (Write Address Channel)**：
AWADDR：写地址。AWVALID：写地址有效。AWREADY：从设备准备好接收地址。
**写数据通道 (Write Data Channel)**：
WDATA：写数据。WSTRB：写数据的字节掩码，用来指示哪些字节有效。WVALID：数据有效。WREADY：从设备准备好接收数据。
**写响应通道 (Write Response Channel)**：
BRESP：写响应，表示写入操作的状态（如OKAY，SLVERR）。BVALID：写响应有效。BREADY：主设备准备好接收写响应。
典型 AXI 读写操作流程
读操作流程：
- 主设备发送读地址 (
ARADDR) 并通过ARVALID表示地址有效。 - 从设备通过
ARREADY表示准备好接收地址。 - 从设备准备好数据，并通过
RVALID表示数据有效。 - 主设备通过
RREADY表示准备好接收数据。 - 数据传输完成后，从设备通过
RRESP发送读响应。
写操作流程：
- 主设备发送写地址 (
AWADDR) 并通过AWVALID表示地址有效。 - 从设备通过
AWREADY表示准备好接收地址。 - 主设备发送写数据 (
WDATA) 并通过WVALID表示数据有效。 - 从设备通过
WREADY表示准备好接收数据。 - 数据写入后，从设备通过
BVALID发送写响应，主设备通过BREADY接收响应。
AXI 突发传输
AXI 支持突发传输，可以在一次请求中传输多个数据包，从而提高效率。突发传输可以是固定突发（地址不变）、递增突发（地址递增）或包装突发（地址循环变化）。
AXI 总线的应用场景
AXI 协议由于其高效的数据传输机制和多通道支持，广泛应用于各种 SoC 设计中，特别是在需要高带宽、低延迟的场景下，例如：
- CPU 和内存的交互。
- 高性能外设（如 DMA、GPU）和系统总线之间的数据传输。
- 多核处理器和共享内存之间的通信。
总结
AXI 总线协议提供了强大的高性能通信机制，支持多主多从、突发传输、独立的读写通道，并通过握手机制确保数据传输的同步和可靠性。AXI 是现代 SoC 设计中重要的基础技术，被广泛应用于各种高带宽、低延迟的数据传输场景。