AXI协议详解-AMBA总线协议AHB、APB、AXI对比分析

在基于IP复用的SoC设计中，片上总线设计是最关键的问题。为此，业界出现了很多片上总线标准。其中，由ARM公司推出的AMBA片上总线受到了广大IP开发商和SoC系统集成者的青睐，已成为一种流行的工业标准片上结构。AMBA规范主要包括了AHB(Advanced High performance Bus)系统总线和APB(Advanced Peripheral Bus)外围总线。

AMBA 2.0规范包括四个部分：AHB、ASB、APB、AXI和Test Methodology。AHB的相互连接采用了传统的带有主模块和从模块的共享总线，接口与互连功能分离，这对芯片上模块之间的互连具有重要意义。AMBA已不仅是一种总线，更是一种带有接口模块的互连体系。

1.1.1AMBA协议的演进

图4‑4 AMBA协议的演进

·AMBA 1只有ASB和APB协议；

·AMBA 2引入AHB协议用于高速数据传输；

·AMBA 3，为适应高吞吐量传输和调试引入AXI和ATB，增加高级可扩展接口，而AHB协议缩减为AHB-lite，APB协议增加了PREADY和PSLVERR，ASB由于设计复杂而不再使用；

·AMBA 4，AXI得到了增强，引入QOS和long burst的支持，根据应用不同可选AXI4，AXI4-lite，AXI4-stream，同时为满足复杂SOC的操作一致性引入ACE和ACE-lite协议，APB和ATB也同时得到增强，比如APB加入了PPROT和PSTRB，另外为改善总线数据传输引入QVN协议；

·适应更加复杂的高速NOC设计，引入环形总线协议，推出的AMBA CHI协议。

V1.0 ASB、APB是第一代AMBA协议的一部分。主要应用在低带宽的外设上，如UART、 I2C，它的架构不像AHB总线是多主设备的架构，APB总线的唯一主设备是APB桥（与AXI或APB相连），因此不需要仲裁一些Request/grant信号。APB的协议也十分简单，甚至不是流水的操作，固定两个时钟周期完成一次读或写的操作。其特性包括：两个时钟周期传输，无需等待周期和回应信号，控制逻辑简单，只有四个控制信号。传输可用如下状态图表示，

图4‑5 传输状态图

·系统初始化为IDLE状态，此时没有传输操作，也没有选中任何从模块。

·当有传输要进行时，PSELx=1，PENABLE=0，系统进入SETUP状态，并只会在SETUP 状态停留一个周期。当PCLK的下一个上升沿时到来时，系统进入ENABLE 状态。

·系统进入ENABLE状态时，维持之前在SETUP 状态的PADDR、PSEL、PWRITE不变，并将PENABLE置为1。传输也只会在ENABLE状态维持一个周期，在经过SETUP与ENABLE状态之后就已完成。之后如果没有传输要进行，就进入IDLE状态等待；如果有连续的传输，则进入SETUP状态。

V2.0 AHB是第二代AMBA协议最重要的一部分。AHB总线规范是AMBA总线规范的一部分，AMBA总线规范是ARM公司提出的总线规范，被大多数SoC设计采用，它规定了AHB (Advanced High-performance Bus)、ASB (Advanced System Bus)、APB (Advanced Peripheral Bus)。AHB用于高性能、高时钟频率的系统结构，典型的应用如ARM核与系统内部的高速RAM、NAND FLASH、DMA、Bridge的连接。APB用于连接外部设备，对性能要求不高，而考虑低功耗问题。ASB是AHB的一种替代方案。

图4‑6 相比于APB，区分了地址周期和数据周期

AHB总线强大之处在于它可以将微控制器（CPU）、高带宽的片上RAM、高带宽的外部存储器接口、DMA总线控制器，以及各种AHB接口的控制器等连接起来构成一个独立的完整SOC系统，还可以通过AHB-APB桥来连接APB总线系统。

图4‑7 通过AHB-APB桥来连接APB总线系统

AHB总线由主设备Master、从设备Slave，内部包括仲裁器，译码器，数据多路和地址控制多路组成。

·主设备发起一次读/写操作，某一时刻只允许一个主设备使用总线。

·从设备响应一次读/写操作，通过地址映射选择使用哪一个从设备。

·仲裁器允许某一个主设备控制总线

·译码器通过地址译码决定选择哪一个从设备

仲裁机制 仲裁机制保证了任意时刻只有一个master可以接入总线。arbiter决定哪个发出接入请求的master可以接入总线，这通过优先级算法实现。AHB规范并没有给出优先级算法，设计者需要根据具体的系统要求定义。一般情况下arbiter不会中断一个burst传输，将总线接入权让给其他master。当然未定义长度的burst传输是可以打断的，这要看优先级算法是如何规定的。如果一笔burst被打断，master再度获得接入权限时，会传递剩余的部分。如一笔长度为INCR8的传输在传递3 beat后被打断，master再次获得接入授权后，会继续传输剩余的5 beat，剩余部分可以由一个SINGLE和一个INCR4组成，或者一个INCR。

地址译码器 地址译码器用于为总线上每个slave提供选择信号HSELx，选择信号是通过组合逻辑对地址码译码产生的。只有当前的数据传输完成后（HREADY为高），slave才会采样地址和控制信号以及HSELx。在一定条件下可能会出现这样的情况：产生HSELx信号而HREADY为低，在当前传输后slave会改变。每个slave最小的地址空间为1KB，所有的master的burst传输上限也是1KB，如此设计保证了不会出现地址越界问题。当一个设计不会用到所有的地址空间时，可能出现访问到一个不存在的地址的情况，这就需要增加一个附加的默认slave来为上面的情况提供一个响应。当SEQ或NONSEQ传输访问到一个不存在的地址，默认slave应该提供ERROR响应；当IDLE或BUSY传输访问到一个不存在的地址，默认slave会响应OKAY。地址译码器会带有实现默认slave的功能。

表4‑1 各个信号描述

HRESP[1:0] 响应信号

传输响应HRESP[1:0]

00: OKAY

01: ERROR

10: RETRY

传输未完成，请求主设备重新开始一个传输，arbiter会继续使用通常的优先级

11: SPLIT

传输未完成，请求主设备分离一次传输，arbiter会调整优先级方案以便其他请求总线的主设备可以访问总线

表4‑2 AHB仲裁信号

V3.0 AXI（Advanced eXtensible Interface）是一种总协议，该协议是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）3.0协议中最重要的部分。

·高性能、高带宽、低延迟的片内总线

·地址/控制和数据相位是分离的，分离的读写数据通道。控制和数据通道分离，就可以不等需要的操作完成，就发出下一个操作，流水线操作，数据吞吐量增加达到提速的作用。

·单向通道体系结构，使得片上信息流只是以单方向传输，减少了延时，更小的面积，更低的功耗，获得优异的性能。

AXI4 是第四代AMBA协议重要的一部分，AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-streamAXI4.0-lite是AXI的简化版本，ACE4.0 是AXI缓存一致性扩展接口，AXI4.0-stream是ARM公司和Xilinx公司一起提出，主要用在FPGA进行以数据为主导的大量数据的传输应用。

· 适合高带宽低延时设计，无需复杂的桥就实现高频操作，向下兼容已有的AHB和APB接口。

·分离地址/控制、数据相位

·分离的读写数据通道，提供低功耗DMA

·使用字节线支持非对齐的数据传输

·使用基于burst的传输，只需传输首地址

·支持多种传输方式，支持乱序传输

·允许容易的添加寄存器来进行时序收敛

AXI架构分为5个独立的传输通道，读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道、写响应通道。基于VALID/READY的握手机制数据传输协议，传输源端使用VALID表明地址/控制信号、数据是有效的，目的端使用READY表明自己能够接受信息。数据总线可为（8/16/32/64/128/256/512/1024bit），最大为单次传输一个字节的数据。

信号描述

表4‑3 全局信号

表4‑4 写地址通道信号

表4‑5 写数据通道信号

表4‑6 写响应通道信号

表4‑7读地址通道信号

表 4‑8 读数据通道信号

表4‑9 低功耗接口信号

每个数据通道有独立的xVALID/xREADY握手信号对。

VALID与READY信号作为一对握手信号，为防止死锁，进行读操作时，必须等读地址通道握手完成，读数据通道才可进行下一步操作。进行写操作时，写地址通道与写数据通道互相独立，但同样必须等最后一组数据写完成写响应通道握手完成。

AXI协议是基于burst的，主机只给出突发传输的第一个字节的地址，从机必须计算突发传输后续的地址。突发传输不能跨4KB边界（防止突发跨越两个从机的边界，也限制了从机所需支持的地址自增数）。

· 突发长度 ARLEN[7:0]决定读传输的突发长度，AWLEN[7:0]决定写传输的突发长度。AXI3只支持1~16次的突发传输（Burst_length=AxLEN[3:0]+1），AXI4扩展突发长度支持INCR突发类型为1~256次传输，对于其他的传输类型依然保持1~16次突发传输（Burst_Length=AxLEN[7:0]+1）。

·传输规则 wraping burst ,burst长度必须是2,4,8,16， burst不能跨4KB边界，不支持提前终止burst传输。

·突发大小

ARSIZE[2:0],读突发传输；AWSIZE[2:0],写突发传输。

AxSIZE[2:0] bytes in transfer

‘b000　　　　　　1

‘b001　　　　　　2

‘b010　　　　　　4

‘b011　　　　　　8

‘b100　　　　　　16

‘b101　　　　　　32

‘b110　　　　　　64

‘b111　　　　　　128

·突发类型

FIXED：突发传输过程中地址固定，用于FIFO访问

INCR：增量突发，传输过程中，地址递增。增加量取决AxSIZE的值。

WRAP：回环突发，和增量突发类似，但会在特定高地址的边界处回到低地址处。回环突发的长度只能是2,4,8,16次传输，传输首地址和每次传输的大小对齐。最低的地址整个传输的数据大小对齐。回环边界等于（AxSIZE*AxLEN）。

AxBURST[1:0]　　　　burst type

‘b00　　　　　　　　　　FIXED

‘b01　　　　　　　　　　INCR

‘b10　　　　　　　　　　WRAP

‘b11　　　　　　　　　　Reserved

Start_Address=AxADDR

Number_Bytes=2^AxSIZE

Burst_Length=AxLEN+1

Aligned_Addr=（INT（Start_Address/Number_Bytes))xNumber_Bytes。//INT表示向下取整。

对于INCR突发和WRAP突发但没有到达回环边界，地址由下述方程决定：

Address_N=Aligned_Address+(N-1)xNumber_Bytes

WRAP突发，突发边界：

Wrap_Boundary=(INT(Start_Address/(Number_Bytes x Burst_Length)))x(Number_Bytes x Burst_Length)

读写响应结构

读传输的响应信息是附加在读数据通道上的，写传输的响应在写响应通道。

RRESP[1:0],读传输

BRESP[1:0],写传输

OKAY(‘b00):正常访问成功

EXOKAY(‘b01):Exclusive 访问成功

SLVERR(‘b10):从机错误。表明访问已经成功到了从机，但从机希望返回一个错误的情况给主机。

DECERR(‘b11):译码错误。一般由互联组件给出，表明没有对应的从机地址。

1.1.2AMBA概述

AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 高级处理器总线架构

AHB (Advanced High-performance Bus) 高级高性能总线

ASB (Advanced System Bus) 高级系统总线

APB (Advanced Peripheral Bus) 高级外围总线

AXI (Advanced eXtensible Interface) 高级可拓展接口

这些内容加起来就定义出一套为了高性能SoC而设计的片上通信的标准。

AHB主要是针对高效率、高频宽及快速系统模块所设计的总线，它可以连接如微处理器、芯片上或芯片外的内存模块和DMA等高效率模块。

APB主要用在低速且低功率的外围，可针对外围设备作功率消耗及复杂接口的最佳化。APB在AHB和低带宽的外围设备之间提供了通信的桥梁，所以APB是AHB或ASB的二级拓展总线。

AXI：高速度、高带宽，管道化互联，单向通道，只需要首地址，读写并行，支持乱序，支持非对齐操作，有效支持初始延迟较高的外设，连线非常多。

表 4‑10 几种AMBA总线的性能对比分析

1.1.3AHB总线

AHB的组成

Master：能够发起读写操作，提供地址和控制信号，同一时间只有1个Master会被激活。

Slave：在给定的地址范围内对读写操作作响应，并对Master返回成功、失败或者等待等状态。

Arbiter：负责保证总线上一次只有1个Master在工作。仲裁协议是规定的，但是仲裁算法可以根据应用决定。

Decoder：负责对地址进行解码，并提供片选信号到各Slave。

每个AHB都需要1个仲裁器和1个中央解码器。

图4‑8 AHB的组成

AHB基本信号

HADDR：32位系统地址总线

HTRANS：M指示传输状态，NONSEQ、SEQ、IDLE、BUSY

HWRITE：传输方向1-写，0-读

HSIZE：传输单位

HBURST：传输的burst类型

HWDATA：写数据总线，从M写到S

HREADY：S应答M是否读写操作传输完成，1-传输完成，0-需延长传输周期。需要注意的是HREADY作为总线上的信号，它是M和S的输入；同时每个S需要输出自HREADY。所以对于S会有两个HREADY信号，一个来自总线的输入，一个自己给到多路器的输出。

HRESP：S应答当前传输状态，OKAY、ERROR、RETRY、SPLIT。

HRDATA：读数据总线，从S读到M。

AHB基本传输

两个阶段

地址周期（AP），只有一个cycle

数据周期（DP），由HREADY信号决定需要几个cycle

流水线传送

先是地址周期，然后是数据周期

AHB突发传输与AXI突发传输的特点

AHB协议需要一次突发传输的所有地址，地址与数据锁定对应关系，后一次突发传输必须在前次传输完成才能进行。

AXI只需要一次突发的首地址，可以连续发送多个突发传输首地址而无需等待前次突发传输完成，并且多个数据可以交错传递，此特征大大提高了总线的利用率。

AHB总线与AXI总线均适用于高性能、高带宽的SoC系统，但AXI具有更好的灵活性，而且能够读写通道并行发送，互不影响；更重要的是，AXI总线支持乱序传输，能够有效地利用总线的带宽，平衡内部系统。因此SoC系统中，均以AXI总线为主总线，通过桥连接AHB总线与APB总线，这样能够增加SoC系统的灵活性，更加合理地把不同特征IP分配到总线上。

1.1.4APB总线

主要应用在低带宽的外设上，如UART、 I2C，它的架构不像AHB总线是多主设备的架构，APB总线的唯一主设备是APB桥（与AXI或APB相连），因此不需要仲裁一些Request/grant信号。APB的协议也十分简单，甚至不是流水的操作，固定两个时钟周期完成一次读或写的操作。其特性包括：两个时钟周期传输，无需等待周期和回应信号，控制逻辑简单，只有四个控制信号。APB上的传输可用如图所示的状态图来说明。

1、系统初始化为IDLE状态，此时没有传输操作，也没有选中任何从模块。

2、当有传输要进行时，PSELx=1,，PENABLE=0，系统进入SETUP状态，并只会在SETUP状态停留一个周期。当PCLK的下一个上升沿到来时，系统进入ENABLE状态。

3、系统进入ENABLE状态时，维持之前在SETUP状态的PADDR、PSEL、PWRITE不变，并将PENABLE置为1。传输也只会在ENABLE状态维持一个周期，在经过SETUP与ENABLE状态之后就已完成。之后如果没有传输要进行，就进入IDLE状态等待；如果有连续的传输，则进入SETUP状态。

图4‑9 APB总线

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