ZYNQ的AXI协议（一）——简介

1.什么是AXI协议

• AXI协议（Advanced eXtensible Interface， 即高级可扩展接口）是ARM 提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture，96年首次引入的一组微控制器总线，开放的片内互联总线标准，能在多主机设计中实现多个控制器核外设间的连接和管理）协议的一部分。
• 通信协议就是指双方进行信息传递所遵循的规则和约定，在通信过程中， 主从之间会进行协调， 只有等接收方准备好之后，才能开始数据传输，这种机制我们称之为“ 握手”。AXI 协议就是描述了主设备和从设备之间的数据传输方式， 在该协议中， 主设备和从设备之间通过握手信号建立连接。

2.AXI协议特点及分类

• AXI 协议是一种高性能、高带宽、低延迟的片内总线，具有如下特点：
  • 总线的地址/控制和数据通道是分离的；
  • 支持不对齐的数据传输；
  • 支持突发传输， 突发传输过程中只需要首地址；
  • 具有分离的读/写数据通道；
  • 支持显著传输访问和乱序访问；
  • 更加容易进行时序收敛。
• 在数字电路中只能传输二进制数 0 和 1，因此可能需要一组信号才能高效地传输信息， 这一组信号就组成了接口。 AXI4 协议支持以下三种类型的接口：
  1、 AXI4（AXI-FULL）： 高性能存储映射接口【 Meamory Map，如果一个协议是存储映射的，那么主机所发出的会话（ 无论读或写） 就会标明一个地址。 这个地址对应于系统存储空间中的一个地址， 表明是针对该存储空间的读写操作】。AXI4 协议支持突发传输，主要用于处理器访问存储器等需要指定地址的高速数据传输场景。 给出单一的地址就可以进行最大256次突发数据传输。
  2、 AXI4-Lite：简化版的 AXI4 接口， 用于较少数据量的存储映射通信，只支持单次传输一个数据，不支持突发传输。AXI-Lite为外设提供控制信号、状态位等一些低速寄存器访问。占用资源少，使用简单。
  3、 AXI4-Stream（AXI-ST）： 用于高速数据流传输，非存储映射接口。而AXI-Stream 接口则像 FIFO一样，数据传输时不需要地址，没用限制突发传输数据量，在主从设备之间直接连续读写数据，主要用于如视频、高速 AD、 PCIe、 DMA 接口等需要高速数据传输的场合。

3.为什么ZYNQ需要AXI

• 在将不同工艺特征的处理器与 FPGA 融合在一个芯片上之后， 片内处理器与 FPGA 之间的互联通路就成了 ZYNQ 芯片设计的重中之重。如果 Cotex-A9 与FPGA 之间的数据交互成为瓶颈， 那么处理器与 FPGA 结合的性能优势就不能发挥出来。
• ZYNQ PS 与 PL 交互所使用的接口：

  • EMIO。ZYNQ GPIO 接口信号被分成四组，分别是从 BANK0 到 BANK3。其中 BANK0 和 BANK1 中共计 54个信号通过 MIO 连接到 ZYNQ 器件的引脚上，这些引脚属于 PS 端； 而 BANK2 和 BANK3 中共计 64 个信号则通过 EMIO 连接到了 ZYNQ 器件的 PL 端。
    

  • 在大多数情况下， PS 端经由 EMIO 引出的接口会直接连接到 PL 端的器件引脚上， 通过 IO 管脚约束来指定所连接 PL 引脚的位置。 通过这种方式， EMIO 可以为 PS 端实现额外的 64 个输入引脚或 64 个带有输出使能的输出引脚。 EMIO 还有一种使用方式，就是用于连接 PL 内实现的功能模块（ IP 核） ， 此时 PL 端的 IP 作为 PS 端的一个外部设备。
    

  • AXI4接口。

    • AXI GPIO IP 核为 AXI 接口提供了一个通用的输入/输出接口。 与 PS 端的 GPIO 不同， AXI GPIO 是一个软核（ Soft IP），即 ZYNQ 芯片在出厂时并不存在这样的一个硬件电路， 而是由用户通过配置 PL 端的逻辑资源来实现的一个功能模块。 而 PS 端的 GPIO 是一个硬核（ Hard IP） ，它是一个生产时在硅片中实现的功能电路。如下图，模块的左侧实现了一个 32 位的 AXI4-Lite 从接口， 用于主机访问 AXI GPIO 内部各通道的寄存器。 当右侧接口输入的信号发生变化时，模块还能向主机产生中断信号。不过只有在配置 IP核时选择“ 使能中断” ， 才会启用模块的中断控制功能。
      

    • 对于传输速度要求较高、数据量大、地址连续的场合，可以通过 AXI DMA 来完成。

    • 对于数据量较少、地址不连续、长度不规则的情况，此时 AXI DMA 便不再适用了。针对这种情况，可以通过 BRAM 来进行数据的交互。

参考：Xilinx UG1037
Vivado AXI Reference
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UG1037 (v4.0) July 15, 2017 [optional]
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