如何設(shè)計(jì)高效PL和PS數(shù)據(jù)交互通路的AXI接口

（一）AXI接口

如何設(shè)計(jì)高效的 PL 和 PS 數(shù)據(jù)交互通路是 ZYNQ 芯片設(shè)計(jì)的重中之重。AXI 全稱 Advanced eXtensible Interface，是 Xilinx 從 6 系列的 FPGA 開始引入的一個(gè)接口協(xié)議，主要描述了主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。在 ZYNQ 中繼續(xù)使用，版本是 AXI4，所以我們經(jīng)常會看到 AXI4.0， ZYNQ 內(nèi)部設(shè)備都有 AXI 接口。其實(shí) AXI 就是 ARM 公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）的一個(gè)部分，是一種高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線。

AXI 協(xié)議主要描述了主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式，主設(shè)備和從設(shè)備之間通過握手信號建立連接。當(dāng)從設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，會發(fā)出 READY 信號。當(dāng)主設(shè)備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，會發(fā)出和維持 VALID 信號，表示數(shù)據(jù)有效。數(shù)據(jù)只有在 VALID 和 READY 信號都有效的時(shí)候才開始傳輸。當(dāng)這兩個(gè)信號持續(xù)保持有效，主設(shè)備會繼續(xù)傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)。主設(shè)備可以撤銷VALID 信號，或者從設(shè)備撤銷 READY 信號終止傳輸。 AXI 的協(xié)議如圖， T2 時(shí)，從設(shè)備的 READY信號有效， T3 時(shí)主設(shè)備的 VILID 信號有效，數(shù)據(jù)傳輸開始。

在 ZYNQ 中，支持 AXI-Lite， AXI4 和 AXI-Stream 三種總線，通過表以看到這三種AXI 接口的特性。

1、AXI4-Lite：

具有輕量級，結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，適合小批量數(shù)據(jù)、簡單控制場合。不支持批量傳輸，讀寫時(shí)一次只能讀寫一個(gè)字（32bit）。主要用于訪問一些低速外設(shè)和外設(shè)的控制。

2、AXI4：

接口和 AXI-Lite 差不多，只是增加了一項(xiàng)功能就是批量傳輸，可以連續(xù)對一片地址進(jìn)行一次性讀寫。也就是說具有數(shù)據(jù)讀寫的 burst 功能。

上面兩種均采用內(nèi)存映射控制方式，即 ARM 將用戶自定義 IP 編入某一地址進(jìn)行訪問，讀寫時(shí)就像在讀寫自己的片內(nèi) RAM，編程也很方便，開發(fā)難度較低。代價(jià)就是資源占用過多，需要額外的讀地址線、寫地址線、讀數(shù)據(jù)線、寫數(shù)據(jù)線、寫應(yīng)答線。

3、AXI4-Stream：

這是一種連續(xù)流接口，不需要地址線（很像 FIFO，一直讀或一直寫就行）。對于這類 IP，ARM 不能通過上面的內(nèi)存映射方式控制（FIFO 根本沒有地址的概念），必須有一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置，例如 AXI-DMA 模塊來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射到流式接口的轉(zhuǎn)換。 AXI-Stream 適用的場合有很多：視頻流處理；通信協(xié)議轉(zhuǎn)換；數(shù)字信號處理；無線通信等。其本質(zhì)都是針對數(shù)值流構(gòu)建的數(shù)據(jù)通路，從信源（例如 ARM 內(nèi)存、 DMA、無線接收前端等）到信宿（例如 HDMI 顯示器、高速 AD 音頻輸出，等）構(gòu)建起連續(xù)的數(shù)據(jù)流。這種接口適合做實(shí)時(shí)信號處理。

在 ZYNQ 芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)了 AXI 總線協(xié)議，包括 9 個(gè)物理接口，分別為 AXI-GP0~AXIGP3， AXI-HP0~AXI-HP3， AXI-ACP 接口。AXI_ACP 接口，是 ARM 多核架構(gòu)下定義的一種接口，中文翻譯為加速器一致性端口，用來管理 DMA 之類的不帶緩存的 AXI 外設(shè)， PS 端是 Slave 接口。AXI_HP 接口，是高性能/帶寬的 AXI3.0 標(biāo)準(zhǔn)的接口，總共有四個(gè)， PL 模塊作為主設(shè)備連接。主要用于 PL 訪問 PS 上的存儲器（DDR 和 On-Chip RAM）AXI_GP 接口，是通用的 AXI 接口，總共有四個(gè)，包括兩個(gè) 32 位主設(shè)備接口和兩個(gè) 32 位從設(shè)備接口。

只有兩個(gè) AXI-GP 是 Master Port，即主機(jī)接口，其余 7 個(gè)口都是 Slave Port（從機(jī)接口）。主機(jī)接口具有發(fā)起讀寫的權(quán)限， ARM 可以利用兩個(gè) AXI-GP 主機(jī)接口主動訪問 PL 邏輯，其實(shí)就是把 PL 映射到某個(gè)地址，讀寫 PL 寄存器如同在讀寫自己的存儲器。其余從機(jī)接口就屬于被動接口，接受來自 PL 的讀寫，逆來順受。

另外這 9 個(gè) AXI 接口性能也是不同的。 GP 接口是 32 位的低性能接口，理論帶寬600MB/s，而 HP 和 ACP 接口為 64 位高性能接口，理論帶寬 1200MB/s。

位于 PS 端的 ARM 直接有硬件支持 AXI 接口，而 PL 則需要使用邏輯實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的 AXI 協(xié)議。Xilinx 在 Vivado 開發(fā)環(huán)境里提供現(xiàn)成 IP 如 AXI-DMA， AXI-GPIO， AXI-Dataover, AXI-Stream 都實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的接口，使用時(shí)直接從 Vivado 的 IP 列表中添加即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

下圖為 Vivado 下的各種 DMA IP：

幾個(gè)常用的 AXI 接口 IP 的功能：

AXI-DMA：實(shí)現(xiàn)從 PS 內(nèi)存到 PL 高速傳輸高速通道 AXI-HP<---->AXI-Stream 的轉(zhuǎn)換

AXI-FIFO-MM2S：實(shí)現(xiàn)從 PS 內(nèi)存到 PL 通用傳輸通道 AXI-GP<----->AXI-Stream 的轉(zhuǎn)換

AXI-Datamover：實(shí)現(xiàn)從 PS 內(nèi)存到 PL 高速傳輸高速通道 AXI-HP<---->AXI-Stream 的轉(zhuǎn)換，只不過這次是完全由 PL 控制的， PS 是完全被動的。

AXI-VDMA：實(shí)現(xiàn)從 PS 內(nèi)存到 PL 高速傳輸高速通道 AXI-HP<---->AXI-Stream 的轉(zhuǎn)換，只不過是專門針對視頻、圖像等二維數(shù)據(jù)的。

AXI-CDMA：這個(gè)是由 PL 完成的將數(shù)據(jù)從內(nèi)存的一個(gè)位置搬移到另一個(gè)位置，無需 CPU 來插手。

（二）AXI 交換機(jī)制

AXI 協(xié)議嚴(yán)格的講是一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)的主從接口協(xié)議，當(dāng)多個(gè)外設(shè)需要互相交互數(shù)據(jù)時(shí)，我們需要加入一個(gè) AXI Interconnect 模塊，也就是 AXI 互聯(lián)矩陣，作用是提供將一個(gè)或多個(gè) AXI 主設(shè)備連接到一個(gè)或多個(gè) AXI 從設(shè)備的一種交換機(jī)制（有點(diǎn)類似于交換機(jī)里面的交換矩陣）。這個(gè) AXI Interconnect IP 核最多可以支持 16 個(gè)主設(shè)備、 16 個(gè)從設(shè)備，如果需要更多的接口，可以多加入幾個(gè) IP 核。

AXI Interconnect 基本連接模式有以下幾種：

N-to-1 Interconnect

to-N Interconnect

N-to-M Interconnect (Crossbar Mode)

N-to-M Interconnect (Shared Access Mode)

ZYNQ 內(nèi)部的 AXI 接口設(shè)備就是通過互聯(lián)矩陣的的方式互聯(lián)起來的，既保證了傳輸數(shù)據(jù)的高效性，又保證了連接的靈活性。 Xilinx 在 Vivado 里我們提供了實(shí)現(xiàn)這種互聯(lián)矩陣的 IP 核axi_interconnect，我們只要調(diào)用就可以。

編輯：hfy