AXI是什么

AXI为ARM AMBA的一部分，是一种微控制总线。
2003年，AMBA3.0发布，其中包含第一版AXI；
2010年，AMBA4.0发布，其中包含第二版AXI，称为AXI4;
时至今日，AXI已经有了AXI5版本，可以在ARM官方网站下载到源文件，可自行下载：
ARM官网中各版本AMBA文件

AXI包括三种接口形式：

名称	特点
AXI4	高性能的内存映射需求
AXI4-Lite	简单的、低吞吐量的内存映射通信（例如，控制寄存器和状态寄存器）
AXI4-Stream	用于高速流数据

AXI是如何工作的

AXI是内存映射接口，在一个地址周期内，允许至多256个数据的传输，无论是AXI4还是AXI4-Lite接口，都有五个不同的通道。

数据可以同时在主机和从机之间的两个方向上移动，并且数据传输的大小可以变化。AXI4中的限制是最多256个数据传输的突发事务。AXI4-Lite只允许每个事务传输1个数据。主从机之间数据读取、写入的通道架构如下所示。


需要注意的事，上面虽是两张图，只是为了方便区分读、写操作对应的通道，实际上主、从机应该同时具有5个通道，主机发起读写请求，从机响应主机的读写请求。

AXI-Lite定义

AXI-Lite的关键特性

• 所有的传输突发长度均为1
• 所有的数据访问都使用数据总线的全宽度（只能是32-bitsZ或64-bits）
• 所有的访问都是不可修改的，不可缓冲的
• 不支持独占访问

AXI-Lite信号列表

前缀解析
AW：Address Write，写请求通道，对应图中写地址通道
W ： Write，写数据通道
B： 写响应通道
AR： Address Read，读地址通道
R： Read，读数据通道

AXI-Lite信号时序

时钟和复位

握手机制

同前缀的 VALID/READY信号为一组握手信号，握手协议用来传输地址、控制信息、数据等内容。
这种双向的协议，能够保证主、从机都能够控制传输速率。源端产生VALID信号，指示现在的地址、控制信息、数据都是有效的；目的端产生READY信号，指示现在可以接收信息了，传输发生在二者均为HIGH的时候。

主、从机之间的接口，输出->输入接口之间，一定不能有组合逻辑路径

READY和VALID信号，谁先“伸出手”都无所谓，READY可以在先，VALID可以在先，也可以同时。

下图是同时伸手的时序样例：

写请求通道（AW）

控制信号如下两个。

主机只有在要产生有效请求时才能拉高AWVALID信号，一旦拉高，就得保持到从机拉高AWREADY后的时钟上升沿。

AWREADY的默认值是高是低都可以，推荐默认值为高。
当 AWREADY为高是，从机必须能够接收提供给他的所有有效请求。
不建议AWREADY 默认为LOW是因为，它强制传输至少需要两个周期，一个用于拉高AWVALID，另一个用于拉高AWREADY。

AWPROT：可用于保护内存免受意外事务的影响，默认给0

地址和信息都在这个通道传输了。

写数据通道（W）

控制信号有两个：WREADY和WVALID
WSTRB：就像一个开关，指定所传输的WDATA中，哪个字节是有效信息，所以其位宽为DATA_WIDTH / 8，为1时，对应的字节有效，为0时，对应的字节无效。

写响应通道（B）

控制信号有两个：BREADY和BVALID

BRESP：指示当前的写操作是否成功，为0表示成功

读请求通道（AR）

控制信号如下两个。

信号和写请求介绍类似。

ARPROT：可用于保护内存免受意外事务的影响，默认给0

读数据通道（R）

控制信号有两个：RREADY和RVALID

RRESP：读响应信息合并在了读数据通道内，所以，相比于写操作，读操作少了一个响应通道。
其值为0时，表示读取成功。

* 握手的依赖关系（重要）

---------->
键尾 箭头
单箭头：箭头处的信号，可以在键尾处信号之前或之后拉高。
双箭头：箭头处的信号，必须在键尾处信号之后拉高。
伸手 == 拉高

写事务依赖

• 主机在拉高AWVALID或WVALID之前，不能等待从机拉高AWREADY或WREADY，这适用于事务中的每次写数据传输。想写，必须主机先伸手，从机可以等，也可以先伸手（对应后面两条）
• 从机在拉高AWREADY或WREADY之前，可以等待AWVALID或WVALID
• 从机可以在AWVALID、WVALID之前或之后，拉高AWREADY或WREADY
• 从机必须等待四个双箭头键尾信号拉高后，再拉高BVALID
• 从机在拉高BVALID之前，一定不能等待主机拉高BREADY，也就是写响应时，从机必须先伸手
• 主机可以等BVALID信号，不必先伸手，当然，也可以先伸手

总的来说，对于AWVALID 和 AWREADY，WVALID和WREADY这两个握手，从主机的角度看，他不能等从机，主观上要先伸手；从机的角度看，他等不等主机都行，主观上不必先伸手。客观上，主机先伸手，从机先伸手的情况都是存在的。
对于BVALID和BREADY这个握手，就和上面的描述颠倒过来，从机主观上必须先伸手，主机不必先伸手，但是谁先伸手的情况客观上都是存在的。

图A3.5，把和BVALID有关的箭头都拿掉，可以看到一个简单的握手关系，这能说明AXI总线地址数据独立、分离的特性，支持不对齐数据传输的特性（即顺序上，不必先地址再数据）

读事务依赖

• 在拉高ARVALID之前，主机一定不能等从机拉高ARREADY。想读，主机主观上必须先伸手，从机主观上不必等主机伸手，但是客观上，谁先伸手的情况都存在。
• 从机拉高表示数据有效的RVALID信号，一定要在两个双箭头键尾的信号拉高之后。
• 从机一定在拉高RVALID之前，主观上一定不能等主机拉高RREADY，即从机必须先伸手，主机主观上不必先伸手，客观上，谁先伸手的情况都存在。

总的来说，读事务中的两个握手，对于ARVALID 和 RREADY，从主机的角度看，他不能等从机，主观上要先伸手；从机的角度看，他等不等主机都行，主观上不必先伸手。客观上，主机先伸手，从机先伸手的情况都是存在的。RVALID 和 ARREADY反过来理解即可。额外的，RVALID受ARVALID和ARREADY影响。

图A3.6可以从图A3.5中简化出来，一起理解就好了。

理解依赖关系，是理解FPGA AXI-Lite逻辑时序的基础，上面解释依赖关系时，反复提到的“主观上”一词，主要体现在代码逻辑上

AXI-Lite的FPGA实现

Xilinx自定义IP核

从机

从机代码可以使用Xlinx官方提供的自定义IP自动化产生

芯片型号XC7Z020CLG400-1，Vivado2018.3

创建 Block Design —> Tools —>Create and Package New IP

按照所需配置选好，在Block Design中找到IP





这就是Xilinx官方自动生成的AXI-Lite Slave代码，用户可以修改这个文件，增加自己的逻辑，修改完保存后，更新这个自定义IP，就能在Block Design用了。

主机

同样的方式可以生成主机代码，只需要在自定义IP核配置界面写Master即可。

主机和从机生成的模块如上图所示，修改Block Design，如下图，验证无误后，生成顶层。

仿真

编写顶层的tb文件，给时钟和复位。

`timescale 1ns / 1ps
module tb_axi_lite();
reg clk ,rst_n ,tx;
always #5 clk = !clk;
design_1_wrapper design_1_wrapper_u0
(.m00_axi_aclk_0             (clk    ),.m00_axi_aresetn_0          (rst_n  ),   .m00_axi_init_axi_txn_0     (tx     )
);
initial beginclk = 0;rst_n = 0;tx = 0;#500@(posedge clk);rst_n = 1;
endinitial beginpause();
endtask pause();beginwait(rst_n);repeat(5)@(posedge clk);tx <= 1;@(posedge clk)tx <= 0;end
endtask
endmodule

下图可以看到，一个txn的脉冲，可以触发4次写和4次读，这种仿真方法可以最快速便捷的观察AXI-Lite波形，无需自己写代码。

写请求、写数据、写响应三个通道的波形一起看

读图信息：

1. 地址跳变为0 4 8 12，这是因为数据为4 Byte，地址跳变间隔需要以数据字节数为准
2. 图中展示的是地址和数据相位对齐，其实可以不对齐，AXI是支持的
3. 写地址和写数据通道波形，能体现出主机的“主动性”，即先伸手
4. 写响应通道能体现出从机的“主动性”，即先伸手
5. BVALID是在四个信号拉高后，才拉高的，对应了前面介绍的依赖关系

读请求、读数据、两个通道的波形一起看

RVALID时序，也能够对应上面的依赖关系。

一些信息接口，如STRB PORT ESP等，可以自行添加看

ESP为0，对应写成功，读成功
STRB为F，表示所有字节均为有效数据
PORT 写是0，读是1，写是非特权访问，读是特权访问，不太重要，关系内存访问权限

手搓

这里推荐学习Alex Forencich大神的源码，事半功倍

Github AXI代码链接

本文中涉及的官方PDF下载

var code = "ad2dfd79-083f-4117-a87f-7126cf0201d1"

Alex Forencich代码解读

READM.md中，可以看到AXI-Lite的文件架构，顶层即为axil_adapter，内部例化两个模块，分别是axil_adapter_wr和axil_adapter_rd。

axil_adapter顶层参数 & 端口

27-29行，是基本的一些配置，29行代码规范了良好的编程习惯，先定义，再使用，否则会报错。

顶层parameter参数，结合前面对AXI-Lite的学习，理解不难，地址位宽和数据位宽都是32，STRB用来指定哪些字节是有效数据，故按照字节计算，是除8。顶层参数中的数据位宽和STRB，主机从机独立的，地址位宽是统一的，这里独立设置的用意？

从机的接口，和前面的手册截图一致。

主机的接口，和前面的手册截图一致。

axil_adapter_wr

主体框架：

1. if else框架里边嵌套两个1段式状态机，用组合逻辑实现，里面写了10筐逻辑
2. 一段时序逻辑always块，里面写了一筐逻辑

状态机分为 STATE_IDLE , STATE_DATA , STATE_RESP共3段

当前状态为state_reg，下一个状态为state_next

EXPAND：如果主机来的STRB，大于从机所需的STRB，需要拉高EXPAND信号

SEGMENT_COUNT：EXPAND拉高后，需要算出STRB大了多少，这个是倍数值

这里按照主机、从机都是32-bits先看，可知 EXPAND=0 , SEGMENT_COUNT=1，则进入 if (SEGMENT_COUNT == 1 || EXPAND) 条件中嵌入的状态机，对应源码189~237行

状态机 case(state_reg)

如果写请求的ready和valid尚未握手，就保持IDLE
如果握手成功，状态跳转至 STATE_DATA，同时设置了很多尾缀next的信号，带有该尾缀的信号表示，该信号下一个状态应该是什么样的

写请求握手后：

• awready信号拉低
• s_axil_awaddr存下来，传给Master的 m_axil_awaddr_next，以备给下游设备
• s_axil_awprot存下来，传给Master的 m_axil_awprot_next，以备给下游设备
• m_axil_awvalid_next拉高，以备和下游设备握手
• 从机写准备 赋值 主机写有效的取反

该模块叫 adapter，转接器，在系统中其呈上启下的纽带作用，并没有自己的处理，也就是说，该模块会把上游发给他的指令，转发给下游；在上游模块面前，他是从机，在下游模块面前，他是主机。本质上就是个听旨宣旨的。理解了该模块的功能，对理解程序是有帮助的。

数据阶段：
如果和上游之间写数据的valid和ready尚未握手，就保持数据状态，否则进行一系列处理。
如果和上游握手成功

• 拉低wready信号，取消握手
• 上游传过来的wdata和wstrb信号，转存给从机，以备往下游发
• 拉高给下游的wvalid信号
• 给下游的beady信号 赋值 上游bvalid信号取反
• 跳转至写响应阶段
  

响应阶段：

如果和下游之间写响应的valid和ready尚未握手，就保持响应状态，否则进行一系列处理。

握手后：

• 给下游的响应valid信号拉低，取消握手
• 下游来的bresp信号，传给上游
• 给上游的bvalid信号拉高
• 给上游的写请求ready信号 赋值 下游来的写请求valid信号取反
• 跳转回IDLE状态

上游、下游位宽相等的情况下的状态机中，组合逻辑就是这些

下面是时序逻辑部分，同步复位结构，把所有next后缀的变量，赋值给不带后缀的变量，表示当前状态被新状态更替。