【ARM】【FPGA】【硬件开发】Chapter.1 AXI4总线协议

Chapter.1 AXI4总线协议

作者：齐花Guyc(CAUC)

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一、总线介绍

AXI4总线

AXI4总线就像是SoC内部的“高速公路”，负责在不同硬件模块之间高效传输数据。

AXI4协议通过 5个独立通道 传输数据和控制信号，每个通道都有自己的信号线，互不干扰。

1. 写地址通道（Write Address Channel, AW）
   主设备（Master）告诉从设备（Slave）要写入数据的地址和相关信息（如突发长度、数据大小等）。
   信号：
   AWVALID：主设备表示写地址有效。
   AWREADY：从设备表示准备好接收写地址。
   AWADDR：写操作的目标地址。
   AWLEN：突发长度（0表示1次传输，1表示2次，依次类推，最多255）。
   AWSIZE：每次传输的字节数（如2表示4字节）。
   AWBURST：突发类型（固定、递增、环绕）。

2. 写数据通道（Write Data Channel, W）
   主设备通过这个通道将数据发送到从设备。
   信号：
   WVALID：主设备表示写数据有效。
   WREADY：从设备表示准备好接收数据。
   WDATA：写数据内容。
   WSTRB：字节选通信号，指示哪些字节有效。
   WLAST：表示当前数据是突发传输的最后一个。

3. 写响应通道（Write Response Channel, B）
   从设备告诉主设备写操作是否成功。
   信号：
   BVALID：从设备表示写响应有效。
   BREADY：主设备表示准备好接收响应。
   BRESP：响应状态（如OKAY、ERROR）。

4. 读地址通道（Read Address Channel, AR）
   主设备告诉从设备要读取数据的地址和相关信息。
   信号：
   ARVALID：主设备表示读地址有效。
   ARREADY：从设备表示准备好接收读地址。
   ARADDR、 ARLEN、 ARSIZE、 ARBURST：类似写地址通道。

5. 读数据通道（Read Data Channel, R）
   从设备将读取的数据返回给主设备。
   信号：
   RVALID：从设备表示读数据有效。
   RREADY：主设备表示准备好接收数据。
   RDATA：读数据内容。
   RRESP：响应状态。
   RLAST：表示当前数据是突发传输的最后一个。

AXI4总线时序

1.AXI4写操作时序

突发写操作（burst write），一次写操作传输4个数据 [D(A0)、D(A1)、D(A2)、D(A3)]

AXI4写操作使用3个通道：

• 写地址通道(AW)：AWADDR、AWVALID、AWREADY
• 写数据通道(W)：WDATA、WLAST、WVALID、WREADY
• 写响应通道(B)：BRESP、BVALID、BREADY
  

2.时序图信号解读

时钟（ACLK）
ACLK 是一个周期性的时钟信号，从T0到T10，每周期一个上升沿，用于同步所有信号。

写地址通道（AW）
AWADDR：在T1到T2，主设备（Master）设置写地址为 A，表示目标地址。地址信号在 AWVALID 有效期间保持不变。
AWVALID：在T1，主设备将 AWVALID 置高，表示写地址有效。一直保持高电平直到T2，因为地址传输完成。
AWREADY：在T2，从设备（Slave）将 AWREADY 置高，表示准备好接收地址。
握手：在T2的时钟上升沿，AWVALID 和 AWREADY 同时为高，地址传输完成。

握手机制：
VALID：由发送端（主设备或从设备）置高，表示数据或地址有效。
READY：由接收端置高，表示准备好接收数据或地址。
数据传输只有在 VALID 和 READY 同时为高 时才会发生。

写数据通道（W）
WDATA：从T3到T8，主设备依次发送4个数据：D(A0)、D(A1)、D(A2)、D(A3)。每个数据在一个时钟周期内传输。
WLAST：在T8，发送最后一个数据 D(A3) 时，主设备将 WLAST 置高，表示这是突发传输的最后一个数据。
WVALID：从T3到T8，主设备将 WVALID 置高，表示数据有效。每次数据传输都需要 WVALID 和 WREADY 同时为高。
WREADY：从T3到T4，从设备将 WREADY 置高，表示准备好接收数据。但在T5，WREADY 变低，表示从设备暂时未准备好（可能是处理延迟）。在T6到T8，WREADY 再次变高，继续接收数据。
握手：在T3、T4、T6、T7、T8的时钟上升沿，WVALID 和 WREADY 同时为高，数据传输完成。

写响应通道（B）
BRESP：在T9，从设备设置响应状态为 OKAY，表示写操作成功。
BVALID：在T9，从设备将 BVALID 置高，表示响应有效。
BREADY：在T2到T9，主设备将 BREADY 置高，表示准备好接收响应。
握手：在T9的时钟上升沿，BVALID 和 BREADY 同时为高，响应传输完成。

写操作流程

1. 写地址传输（T1-T2）：
   主设备发送地址 A（通过 AWADDR），并通过 AWVALID 和 AWREADY 握手完成地址传输。
2. 写数据传输（T3-T8）：
   主设备发送4个数据 D(A0) 到 D(A3)。
   数据传输在T3、T4、T6、T7、T8完成（因为T5时 WREADY 为低，数据传输暂停了一个周期）。
   在最后一个数据 D(A3) 时，WLAST 置高，表示突发传输结束。
3. 写响应（T9）：
   从设备返回 OKAY 响应，表示写操作成功。
   通过 BVALID 和 BREADY 握手完成响应传输。

2.AXI4读操作时序

突发读操作（burst length=4），主设备（Master）请求4个连续的数据。

AXI4读操作使用2个通道：
读地址通道（AR）：ARADDR、ARVALID、ARREADY
读数据通道（R）：RDATA、RLAST、RVALID、RREADY

2.时序图信号解读

时钟（ACLK）
ACLK 是一个周期性的时钟信号，从T0到T13，每周期一个上升沿，用于同步所有信号。

读地址通道（AR）
ARADDR：在T1到T2，主设备设置读地址为 A，表示起始读取地址。地址信号在 ARVALID 有效期间保持不变。
ARVALID：在T1，主设备将 ARVALID 置高，表示读地址有效。一直保持高电平直到T2，因为地址传输完成。
ARREADY：在T2，从设备将 ARREADY 置高，表示准备好接收读地址。
握手：在T2的时钟上升沿，ARVALID 和 ARREADY 同时为高，地址传输完成。

读数据通道（R）
RDATA：从T6到T13，从设备依次返回4个数据：D(A0)、D(A1)、D(A2)、D(A3)。每个数据在一个时钟周期内传输。
RLAST：在T13，发送最后一个数据 D(A3) 时，从设备将 RLAST 置高，表示这是突发传输的最后一个数据。
RVALID：从T6到T13，从设备将 RVALID 置高，表示数据有效。每次数据传输都需要 RVALID 和 RREADY 同时为高。
RREADY：从T4到T6，主设备将 RREADY 置高，表示准备好接收数据。在T7，RREADY 变低，表示主设备暂时未准备好（可能是处理延迟）。在T8到T11，RREADY 再次变高，继续接收数据。在T12，RREADY 变低。在T13，RREADY 再次变高。
握手：RVALID 和 RREADY 同时为高，数据传输完成。

读操作流程

1. 读地址传输（T1-T2）：
   主设备发送地址 A（通过 ARADDR），并通过 ARVALID 和 ARREADY 握手完成地址传输。
2. 读数据传输（T4-T13）：
   从设备在T6到T13返回4个数据 D(A0) 到 D(A3)。
   数据传输在T6、T9、T10、T13完成。
   在最后一个数据 D(A3) 时，RLAST 置高，表示突发传输结束。