淺述ZYNQ-AXI總線的信號(hào)接口要求以及時(shí)序關(guān)系

學(xué)習(xí)內(nèi)容

學(xué)習(xí)關(guān)于AXI總線的信號(hào)接口的具體要求（包括不同通道之間的關(guān)系，握手機(jī)制說(shuō)明等）和AXI4-Lite的相關(guān)信息，在文章后半部分對(duì)AXI讀寫時(shí)序進(jìn)行了簡(jiǎn)要講解，主要針對(duì)ARM公司的IHI0022D進(jìn)行閱讀總結(jié)。

Clock and Reset

前面也提到了信號(hào)和復(fù)位的功能，這里對(duì)AXI全局時(shí)鐘（ACLK）和復(fù)位信號(hào)（ARESETn）做進(jìn)一步的解釋說(shuō)明。Clock：每個(gè)AXI組件都要使用時(shí)鐘信號(hào)（ACLK）。

所有的輸入信號(hào)都在ACLK的上升沿上采樣。

所有輸出信號(hào)的變化必須發(fā)生在ACLK上升沿之后。

在主機(jī)接口和從機(jī)接口上，輸入和輸出信號(hào)之間不能有組合路徑。

Reset：AXI使用一個(gè)單獨(dú)的低復(fù)位信號(hào)（ARESETn）。復(fù)位信號(hào)可以進(jìn)行異步復(fù)位，但是復(fù)位完必須與ACLK的上升沿同步。在復(fù)位過(guò)程中，要求:

主機(jī)接口必須驅(qū)動(dòng)ARVALID、AWVALID、和WVALID為低電平。

從機(jī)接口必須驅(qū)動(dòng)RVALID和BVALD 為低電平。

所有其他信號(hào)可以為任何值。

在完成復(fù)位后，允許master驅(qū)動(dòng)ARVALID,、AWVALID、WVALID為高。但是上升沿信號(hào)是在ARESETn是拉高之后而且要在ACLK上升沿。如下圖：

Basic read and write transactions

在基本的讀寫傳輸中，要完成正常的傳輸功能要進(jìn)行握手并且遵守協(xié)議中對(duì)每個(gè)通道的信號(hào)的要求。

握手機(jī)制

所有五個(gè)通道都使用相同的VALID/READY握手處理來(lái)傳輸?shù)刂贰?shù)據(jù)和控制信息。這種雙向握手機(jī)制表示主機(jī)和從機(jī)都可以控制信息在主機(jī)和從機(jī)之間傳輸?shù)乃俾省?/p>

源端（master）生成VALID信號(hào)來(lái)指示地址、數(shù)據(jù)或控制信息何時(shí)傳輸可用。目的端（slave）生成READY信號(hào)來(lái)表示它可以接受該信息。傳輸只發(fā)生在VALID和READY信號(hào)都為高電平時(shí)。在主機(jī)接口和從機(jī)接口上，輸入和輸出信號(hào)之間不能有組合路徑。

雙向握手協(xié)議表示主機(jī)和從機(jī)都可以控制信息在主機(jī)和從機(jī)之間傳輸?shù)乃俾?。換句話說(shuō)也就是在傳輸中VALID和READY，都可以進(jìn)行等待對(duì)方從而完成數(shù)據(jù)傳輸。如下圖所示，下圖的VALID的上升沿在T1時(shí)刻之后完成拉高，在T2時(shí)刻VALID信號(hào)為高，而READY信號(hào)為低，所以要繼續(xù)等待READY信號(hào)拉高。在T2時(shí)刻的上升沿之后，READY拉高，在T3時(shí)刻上升沿時(shí)，READY和VALID信號(hào)都為高，所以數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生。也就是下圖的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在T3時(shí)刻。

下圖的分析方法同上，在T1時(shí)刻READY和VALID信號(hào)都為低，不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在T2時(shí)刻READY和VALID信號(hào)分別為高、低，不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在T3時(shí)刻READY和VALID信號(hào)都為高，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

并且，READY和VALID可以同時(shí)設(shè)置為高進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如下圖，在T2時(shí)刻發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸。

針對(duì)不同的信號(hào)通道，握手信號(hào)加上不同的前綴加以區(qū)分，如下表：

對(duì)于不同通道的握手信號(hào)，AXI協(xié)議有具體的建議要求：Write address channel主機(jī)可以在地址和控制信息都有效的時(shí)候拉高 AWVALID。當(dāng)AWVALID拉高后要保持不變，直到AWREADY也拉高并且時(shí)鐘產(chǎn)生上升沿之后。換句話說(shuō)，在握手傳輸?shù)臅r(shí)，我們的數(shù)據(jù)信息和地址信息要保持不變，這樣才能確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為有效可靠的。也就是AWVALID和信息數(shù)據(jù)是同步變化的。下面給出兩個(gè)示例：

AWREADY的默認(rèn)狀態(tài)可以是高或者低。AXI協(xié)議建議的默認(rèn)狀態(tài)為高。當(dāng)AWREADY為高時(shí)，從機(jī)能夠接受任何提供給它的有效地址。不建議默認(rèn)AWREADY狀態(tài)為低，因?yàn)樗鼜?qiáng)制進(jìn)行握手傳輸，至少需要兩個(gè)時(shí)鐘周期，一個(gè)周期拉高AWVALID，另一個(gè)周期拉高AWREADY。

Read address channel和上面的寫地址通道要求類似，主機(jī)可以在地址和控制信息都有效的時(shí)候拉高 AWVALID。當(dāng)AWVALID拉高后要保持不變，直到AWREADY也拉高并且時(shí)鐘產(chǎn)生上升沿之后。WREADY的默認(rèn)狀態(tài)可以是高或者低。AXI協(xié)議建議的默認(rèn)狀態(tài)為高。當(dāng)AWREADY為高時(shí)，從機(jī)能夠接受任何提供給它的有效地址。不建議默認(rèn)AWREADY狀態(tài)為低，因?yàn)樗鼜?qiáng)制進(jìn)行握手傳輸，至少需要兩個(gè)時(shí)鐘周期，一個(gè)周期拉高AWVALID，另一個(gè)周期拉高AWREADY。

Write response channel當(dāng)它驅(qū)動(dòng)有效的寫響應(yīng)時(shí)，從機(jī)才能拉高BVALID信號(hào)。當(dāng)BVALID拉高后要保持不變，直到BREADY也拉高并且時(shí)鐘產(chǎn)生上升沿之后。BREADY的默認(rèn)狀態(tài)可以是高電平，但前提是在主機(jī)總是能夠在一個(gè)周期內(nèi)接受寫響應(yīng)的情況下。

Write data channel：在寫突發(fā)傳輸期間，當(dāng)主機(jī)驅(qū)動(dòng)有效的寫數(shù)據(jù)時(shí)，才需要拉高WVALID信號(hào)。當(dāng)WVALID拉高后要保持不變，直到WREADY也拉高并且時(shí)鐘產(chǎn)生上升沿之后。WREADY的默認(rèn)狀態(tài)可以是高電平，但前提是從機(jī)總是能在一個(gè)周期內(nèi)接受寫數(shù)據(jù)。當(dāng)主機(jī)在突發(fā)傳輸中進(jìn)行最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，必須拉高WLAST信號(hào)，用于指示傳輸結(jié)束。

Read data channel：當(dāng)它驅(qū)動(dòng)有效的讀數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)才能拉高RVALID信號(hào)。當(dāng)RVALID拉高后要保持不變，直到RREADY也拉高并且時(shí)鐘產(chǎn)生上升沿之后。即使從機(jī)只有一個(gè)讀數(shù)據(jù)信息，它也必須在響應(yīng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)拉高RVALID信號(hào)。主機(jī)接口使用RREADY信號(hào)來(lái)表示它接受數(shù)據(jù)狀態(tài)。RREADY的默認(rèn)狀態(tài)可以為高電位，但前提是無(wú)論何時(shí)啟動(dòng)讀操作，主機(jī)都能立即接受讀數(shù)據(jù)。當(dāng)從機(jī)在突發(fā)傳輸中進(jìn)行最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，必須拉高RLAST信號(hào)，用于指示傳輸結(jié)束。

通道之間的關(guān)系

AXI協(xié)議中需要保持以下關(guān)系:

在寫操作中，寫響應(yīng)必須始終跟隨它是其中一部分的最后一個(gè)寫傳輸。

讀取數(shù)據(jù)必須始終跟在與數(shù)據(jù)相關(guān)的地址后面。

通道握手必須符合在通道握手信號(hào)之間的依賴關(guān)系。

通道握手信號(hào)之間的依賴關(guān)系

通道握手信號(hào)之間的依賴關(guān)系,，由下面的流程圖進(jìn)行描述，這里先進(jìn)行圖示說(shuō)明：在依賴關(guān)系圖中，單箭頭指向可以在箭頭指向的信號(hào)之前或之后拉高信號(hào)；雙箭頭指向的信號(hào)必須在箭頭指向的信號(hào)斷言之后才能拉高。

讀操作依賴關(guān)系

上圖顯示讀操作握手信號(hào)的依賴關(guān)系，在讀操作中:

從機(jī)必須等待ARVALID和ARREADY都拉高后，RVALID才能進(jìn)行拉高指示數(shù)據(jù)有效。

對(duì)于ARVALID和ARREADY的順序，可以任意設(shè)置先后順序，從機(jī)可以等待ARVALID拉高后，再拉高ARREADY，也可以相反，也可以同時(shí)拉高。

對(duì)于RVALID和RREADY不用關(guān)心順序，主機(jī)可以任意設(shè)置先后順序?？梢韵群螅梢酝瑫r(shí)。

寫操作依賴關(guān)系

上圖顯示寫操作握手信號(hào)的依賴關(guān)系，在寫操作中:

主機(jī)在拉高AWREADY or WREADY不需要關(guān)心從機(jī)AWVALID or WVALID先后順序。

從機(jī)在BVALID拉高之前，WVALID和WREADY必須被拉高。

從機(jī)必須WLAST拉高之后，才能拉高BVALID，因?yàn)閷戫憫?yīng)（BRESP）在寫操作的最后一次數(shù)據(jù)傳輸之后，才發(fā)出信號(hào)。

從機(jī)不用關(guān)心BVALID和BREADY的先后順序。

寫響應(yīng)依賴關(guān)系

上圖顯示寫響應(yīng)握手信號(hào)的依賴關(guān)系，在寫響應(yīng)中:

單頭箭頭指向可以在箭頭指向的信號(hào)之前或之后拉高信號(hào)

從機(jī)須等待AWVALID、AWREADY、WVALID和WREADY都拉高之后，BVALID才能拉高使能。

從機(jī)必須WLAST拉高之后，才能拉高BVALID，因?yàn)閷戫憫?yīng)（BRESP）在寫操作的最后一次數(shù)據(jù)傳輸之后，才發(fā)出信號(hào)。

AXI4-Lite協(xié)議

AXI4-Lite和AXI4類似，當(dāng)不需要完整AXI4功能的時(shí)，進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的控制寄存器的讀寫。AXI4-Lite協(xié)議簡(jiǎn)單描述如下：

AXI4-Lite協(xié)議的所有傳輸?shù)耐话l(fā)長(zhǎng)度都是1（相當(dāng)于不支持突發(fā)傳輸）。

所有數(shù)據(jù)訪問(wèn)都使用數(shù)據(jù)總線的全部位寬，支持32位或64位的數(shù)據(jù)總線寬度。

所有訪問(wèn)都是不可修改的，不可緩沖的。

不支持獨(dú)占訪問(wèn)。

接口定義

相比前面介紹的AXI4-Full，這里的信號(hào)端口就少了很多。但對(duì)于相同名字的接口信號(hào)含義是相同的，功能相同。

AXI總線協(xié)議時(shí)序

AXI突發(fā)讀

下圖所示，當(dāng)ARVALID信號(hào)和ARREADY信號(hào)都拉高時(shí)地址有效（地址信息和ARVALID是同步的），也就是在T2時(shí)刻讀取到所要讀取的地址，然后等待RVALID和RREADY都拉高，即可讀取到數(shù)據(jù)，也就是在T5時(shí)刻內(nèi)讀取到第一個(gè)數(shù)據(jù)A0（數(shù)據(jù)和RVALID是同步的），依次讀取A1、A2、這里的時(shí)序圖定義A3為最后一次傳輸，所以RLAST也被拉高。

突發(fā)寫

下圖所示，當(dāng)AWVALID信號(hào)和AWREADY信號(hào)都拉高時(shí)地址有效（地址信息和AWVALID是同步的），也就是在T2時(shí)刻上升沿讀取到所要寫入的地址。然后主機(jī)發(fā)送寫入的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)和WVALID信號(hào)是同步的），依次寫入A0、A1、A2、A3，當(dāng)寫入最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，WLAST信號(hào)也要拉高，當(dāng)寫操作完成后，從機(jī)要發(fā)送一個(gè)響應(yīng)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)也是在BVALID和BREADY為高時(shí)有效。

編輯：jq