AXI 系列之 AXI概述

IC验证大表哥 2023-10-15 原文

AXI简介

AMBA总线的演进图

在介绍AXI协议前，先看下AMBA的演进情况。

随着移动和智能手机时代发生了进一步的演进，SOC集成了2/4/8核处理器和共享cache，并且需要跨内存子系统的硬件管理一致性。这导致了在AMBA修订版4中引入了ACE（AXI一致性协议扩展）。

在当前HPC和数据中心市场的异构计算时代，单个芯片上集成越来越多的处理器核心以及GPU、DSP、FPGA、内存控制器和IO子系统。2013年，AMBA5引入了CHI协议，作为AXI/ACE协议的重新设计。基于信号的AXI/ACE协议被新的基于包的CHI协议所取代。

１、APB：高级外围设备总线(APB)用于连接低带宽的外围设备。它是一个简单的非流水线协议。读写操作共享同一组信号，不支持burst数据传输。最新的规范(APB2.0)可以在ARM网站上找到，是最容易学习的AMBA 协议。

２、AHB：高级高性能总线(AHB)用于连接共享总线上需要更高带宽的组件。这些slave组件可以是内部内存或外部内存接口、DMA、DSP等。AHB可以通过burst数据传输来获得更高的带宽。

３、AHB-lite协议是AHB的一个简化版本。简化后只支持一个主设计，这消除了对任何仲裁、重试、分割事务等的需求。

４、高级可扩展接口(AXI)适合于高带宽和低延迟互连。这是一个点对点的互连，并克服了AHB、APB等共享总线协议在可连接的代理数量方面的限制性。该协议支持多个outstanding的数据传输、burst数据传输、单独的读写通道和支持不同的总线宽度。

5、AXI-lite协议是AXI的简化版本，简化后不支持突发数据传输。

6、AXI-stream协议是AXI协议的另一种风格，它只支持数据流从master 流到slave。与完整的AXI或AXI-lite不同，AXI-stream 协议中没有单独的读/写通道，因为其目的是只在一个方向上流。

7、ACE-AXI协议是AXI4协议的扩展，应用于在一个芯片上集成多个CPU核心与一致性cache的场景。ACE协议扩展了AXI读写数据通道，同时引入了单独的snoop 地址、snoop 数据和snoop 响应通道。这些额外的通道提供了实现基于snoop 的一致性协议的机制。

8、ACE-Lite—对于没有自己cache的agents ，但仍属于可共享一致性域的一部分，如DMA或网络接口agent，使用ACE-lite协议实现这种“单向”一致性。

9、CHI—ACE协议作为AXI的扩展而开发，以支持一致性互连。ACE协议使用了master/slave之间的信号电平通信，因此互连需要大量的线和增加的通道来进行snoops 和响应。这对于具有2/4核移动SOC 的小一致性clusters非常有效。随着SOC上集成越来越多的一致性clusters ——AMBA5修订版引入了CHI协议。CHI协议使用基于分层分组的通信协议，具有协议、链路层和物理层实现，还支持基于QoS的流控制和重试机制。

AXI overriew

AXI 表示 Advanced eXtensible Interface（高级可扩展接口），它是由 Arm 定义的接口协议，包含在“高级微控制器总线架构 AMBA”标准中。

AXI4 接口 (AMBA 4.0) 分 3 种类型：

AXI4 (AXI4-Full)：用于满足高性能存储器映射需求
AXI4-Lite：用于简单的低吞吐量存储器映射通信（例如，往来于状态寄存器的通信）
AXI4-Stream：用于高速数据流传输

注 1 ：本文不涵盖 AXI4-Stream 相关内容。此处“AXI”表示 AXI3、AXI4 和 AXI4-Lite。
注 2：AXI3 接口与 Full AXI 接口接近。

AXI读写通道

AXI 协议定义了 5 条通道：

其中 2 条用于读取传输事务
- 读地址
- 读数据
另 3 条用于写入传输事务
- 写地址
- 写数据
- 写响应

通道 (channel) 是与 VALID 和 READY 信号关联的 AXI 信号的独立集合。

注：AXI4/AXI3/AXI4-Lite 接口只能用于读取（仅包含 2 条读取通道）或者只能用于写入（仅包含 3 条写入通道）。

任一通道上发射的每一条数据都称为一次传输 (transfer)。当 VALID 和 READY 信号均处于高位并且时钟存在上升沿时，就会发生传输。例如，在下图中，在 T3 处正在发生传输：

AXI读取传输事务

AXI 读传输事务需要在 2 条读取通道上发生多次传输。

首先，地址读通道 (Address Read Channel) 从主接口 (Master) 发送到从接口 (Slave)，以便设置地址和部分控制信号。
然后，此地址的数据通过读数据通道 (Read data channel) 从从接口发射到主接口。

请注意，根据下图所示，每个地址中可发生多次数据传输。此类型的传输事务称为突发 (burst)。

AXI 写入传输事务

AXI 写入传输事务需要在 3 条读取通道上存在多次传输。

首先，写地址通道 (Address Write Channel) 从主接口发送到从接口，以便设置地址和部分控制信号。
然后，此地址的数据通过写数据通道 (Write data channel) 从主接口发射到从接口。
最后，写入响应通过写响应通道 (Write Response Channel) 从从接口发送到主接口，以指示传输是否成功。

写响应通道 (Write Response Channel) 上可能的响应值包括：

OKAY (0b00)：正常访问成功。表示已成功完成正常访问
EXOKAY (0b01)：专属访问成功。
SLVERR (0b10)：从接口错误。已成功访问从接口，但从接口希望向发端主接口返回错误条件（例如，数据读取无效）。
DECERR (0b11)：解码器错误。通常由互连组件生成，用于指示传输事务地址处没有任何从接口

注：读取传输事务同样包含响应值，但此响应通过读响应通道 (Read Response Channel) 来发射

AXI 概念解读

burst传输

突发传输。连续传输

FIXED模式下传输首地址后就可以不停传输数据吗？

是的，在配合每次传输的byte数，就可以确定下一个传输的地址。

突发传输不能跨4KB边界？

因为AXI4协议规定主机上寄存器块的最小分块单元为4K Byte，每个从机的开始映射地址都是4KB的边界。这也影响了AXI4的一个读写规则，那就是一个burst传输不能跨越4KB的界限，否则就会引入将数据错误写入其他从机的风险。注意这个4KB的界限指的是MASTER的地址界限，例如一个burst中不能越过0xXXXX_X000的地址位。FFF＝４０９５，

就是１０２４个寄存器，＊４byte　＝４ＫＢ。

非对齐传输

非对其传输指当传输的目标地址（byte）与寄存器的边界（word对齐）未对齐时，可以使用非对齐传输，例如一个传输在0x3地址开始，而不是0x0或者0x4，非对其传输只会影响一个burst传输中的第一笔数据，可采用WSTRB信号来表示第一个data中的哪几个byte是有效的，其余的数据还是正常的burst传输。

复位期间对接口有如下要求：

valid（表示地址／数据／应答输出有效信号）驱动到低电平

①主机ARVALID，AWVALID，WVALID为低电平；

② 从机接口必须驱动RVALID，BVALID为低电平；

③ 所有其他信号可以被驱动到任意值。

在复位后，主机可以在时钟上升沿驱动ARVALID，AWVALID，WVALID为高电平

• 读取地址，其信号名称以AR 开头。

• 读取信号名称以 R 开头的数据。
• 写入地址，信号名称以AW 开头。
• 写入信号名称以 W 开头的数据。
• 写入响应，其信号名称以 B 开头。

AXI 协议Q & A

AXI3与AXI4之间的区别是什么？

1、AXI3只支持多达16拍的burst 。而AXI4支持高达256拍的burst 。

2、AXI3支持write interleave。AXI4不支持write interleave（去掉了wid）

3、AXI3支持locked 传输，AXI4不支持locked 传输

4、AXI4支持QoS，AXI3不支持QoS。

为什么没有单独的read 响应通道？

VALID/READY握手机制只允许一个方向的数据流，所以对于读事务，数据（data和resp）从slave流向master，而对于写事务，数据从master流向slave，所以就需要单独的响应通道

为什么在burst 写中，不是每拍都有写响应。但是在burst 读中，每拍都有一个单独的读响应？

所有的AXI信道只在1个方向传递信息，所以才需要一个单独的写响应通道。在大多数应用中不管slave能不能接受完整的数据这个burst传输都会执行完成，slave无需在每一拍都返回ERROR响应

如何终止burst 传输？

不能。AXI不能够提前终止burst传输。对于写事务，master可以完成burst 传输，通过WSTRB信号丢弃掉无效数据即可，对于读事务同样也可以将读回的数据丢弃。

master 可以在burst 传输中间给WLAST吗？

不行。只有在burst 传输的最后一拍才能拉高WLAST，在burst传输的中间拉高WLAST是违反协议的行为。此外，许多slave设计不会使用WLAST信号，而是自己计数，所以master拉高WLAST也不会提前终止burst传输。

Slave能在burst传输完成之前置起rlast么？

和上题一样，slave在burst传输的未完成就拉起RLAST是违反协议的行为。master同样也有可能不依赖RLAST

既然WLAST和RLAST可能不被使用，那为什么需要支持这两个信号？

为了支持所有的master和slave,无论其是否依赖这两个信号传输数据。

Exclusive 读写事务是什么？在哪里使用？

如果一个内存区域被多个master共享，某个master需要希望确保在没有其他master更改共享内存的情况下完成读然后写的序列，就可以使用Exclusive 传输

读取事务是否有可能在一个周期内完成？

需要至少1个时钟周期传递地址（从master到slave），然后至少1个时钟周期传递数据（从slave到master）。

axi slave是如何支持Exclusive 访问的？

假设 AXI Master1(M1)已经启动了对地址位置12h100到12h10F的exclusive 读写。那么相应的salve将开始监视由M1给出的这些地址。如果此时该地址被其他master执行写操作，此时会返回Exclusive error

发送给slave的读写地址和读写数据是如何关联的？

AR总线和AW总线是独立的，不管读写请求的地址是否顺序发出的，响应的数据都可能是无序的，他们之间是通过awid和arid对应配对的（axi3）axi4去掉了wid，所以写通道的写顺序必须与写地址通道保持一致

AXI VIP的使用

AXI VIP 介绍

AXI Verification IP (AXI VIP) 对 AXI4 接口进行仿真。

AXI Verification IP (AXI VIP) 是支持用户对 AXI4 和 AXI4-Lite 进行仿真的 IP。它还可作为 AXI Protocol Checker 来使用。

此 IP 只是仿真 IP，将不进行综合，它将在直通 (Pass-through) 配置中被连线所替代。

AXI VIP IP 核用途如下：

生成 AXI 主 (Master) 接口命令和写入有效载荷
生成 AXI 从 (Slave) 接口读取有效载荷和写入响应
检查 AXI 传输事务是否符合协议标准

它支持 5 种不同配置：

AXI Master VIP
AXI Pass-through VIP（无存储器模型） --- 了解下这里的无存储器模型？！
AXI Pass-through VIP（有存储器模型）
AXI Slave VIP（无存储器模型）
AXI Slave VIP（有存储器模型）

AXI VIP 设计的思想

AXI VIP 的设计示例包含 3 个 AXI VIP：其中一个配置为 Master、一个配置为 Pass-through，另一个配置为 Slave。

工程中包含了多个测试激励文件 (Test Bench) 源文件，以匹配不同 AXI VIP 组合。

注：所有测试激励文件都是以 SystemVerilog 语言编写的。要使用 AXI VIP 的全部功能，应将此 IP 例化包含在 SystemVerilog 测试激励文件中。

AXI VIP加入到TB

Snop AXI VIP overriew （TBC）