AXI总线之FPGA应用

AXI总线在FPGA与可编程逻辑中的应用非常广泛，尤其是在IP核互连、自定义逻辑模块与处理器协同设计中。以下从使用规则 、收发协议 和注意事项三个方面详细说明其实现细节：

一、AXI总线在FPGA中的使用规则

1.1、协议选择规则

根据功能需求选择AXI子协议：

AXI4-Lite：

适用场景：配置寄存器、低速外设（如UART、GPIO）。

规则：仅支持单次传输（无突发），地址空间较小（通常32位）。

AXI4：

适用场景：高带宽模块（如DMA、DDR控制器）。

规则：支持突发传输（1~256拍），需处理多事务并行（Outstanding Transactions）。

AXI4-Stream：

适用场景：流式数据传输（如视频流、传感器数据）。

规则：无地址信号，仅通过TVALID/TREADY握手传输连续数据。

1.2 、主从设备设计规则

主设备（Master）：

需生成ARVALID/AWVALID信号发起读/写请求。

必须支持突发传输（AXI4）或单次传输（AXI-Lite）。

从设备（Slave）：

需在ARREADY/AWREADY有效时锁存地址，并在RVALID/WVALID有效时返回数据。

必须响应主设备的错误信号（RRESP/BRESP）。

1. 3 、地址映射规则

地址对齐：突发传输的起始地址需对齐数据宽度（如32位数据对应4字节对齐）。

例如：32位数据总线的地址最低两位应为00。

地址空间分配：使用FPGA工具（如Xilinx Address Editor）为每个从设备分配唯一地址范围。

示例：将AXI-Lite外设配置在0x4000_0000~0x4000_FFFF区间。

1. 4 、时钟与复位规则

同步设计：

AXI接口的所有信号必须在同一时钟域（ACLK）下同步。

跨时钟域需使用异步FIFO或桥接逻辑（如AXI Clock Converter IP）。

复位策略：

复位信号（ARESETn）需异步置位、同步释放，避免亚稳态。

二、收发协议详解

AXI4和AXI4-Lite接口都由5个不同的通道组成：

写地址通道；
读地址通道；
写数据通道；
读数据通道；
写响应通道；

读事务结构图

写事务结构图

2.1、 AXI4-Lite协议

写事务流程：

主设备置AWVALID和AWADDR，从设备响应AWREADY。

主设备置WVALID和WDATA，从设备响应WREADY。

从设备完成写入后返回BVALID和BRESP（状态码）。
时序图示例：

ACLK /¯¯¯\/¯¯¯\/¯¯¯\/¯¯¯\_

AWVALID /¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯\

AWREADY /¯¯¯¯¯¯\____

WVALID __/¯¯¯¯¯¯¯¯\

WREADY /¯¯¯¯¯¯\

BVALID ____________/¯¯¯¯¯¯\

读事务流程：

主设备置ARVALID和ARADDR，从设备响应ARREADY。

从设备返回RVALID、RDATA和RRESP。
关键信号：

ARPROT：设置访问权限（安全/非安全、特权级）。

RRESP：返回状态（OKAY、DECERR、SLVERR）。

2. 2 、 AXI4协议（突发传输）

突发类型：

INCR（增量）：地址按数据宽度递增（如32位数据，地址+4）。

WRAP（回环）：地址在设定范围内循环（用于缓存行填充）。

突发传输流程（以写为例）：

主设备发送AWADDR、AWBURST（突发类型）、AWLEN（突发长度）。

从设备响应AWREADY后，主设备分多次发送WDATA（每拍数据对应一个WVALID）。

最后通过WLAST标志结束传输。

示例代码（Verilog）：

复制代码

// 主设备写控制逻辑

always @(posedge ACLK) begin

  if (AWREADY && AWVALID) begin

    next_addr = AWADDR + (data_width/8); // 计算下一地址

  end
end

2. 3 、 AXI4-Stream协议

数据传输规则：发送方置TVALID，接收方置TREADY，两者同时有效时完成传输。可附加TLAST标志表示数据包结束（如一帧图像传输完成）。

时序示例：

ACLK /¯¯¯\/¯¯¯\/¯¯¯\/¯¯¯\_

TVALID _/¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯\

TREADY /¯¯¯\/¯¯¯\___

TDATA ___<D0><D1><D2>

TLAST __________________/¯¯¯\

三、注意事项

3. 1 、时序收敛

关键路径优化：AXI控制逻辑（如地址生成、握手信号）易成为关键路径，需插入流水寄存器。

示例：将ARVALID生成逻辑拆分为两级流水线。

时钟频率限制：高频设计（>300MHz）需减少组合逻辑层级，必要时使用寄存器切割（Register Slice）。

3. 2 、资源消耗优化

AXI-Lite vs. AXI4：

AXI-Lite接口占用较少逻辑资源（约200 LUTs），适合低速控制。

AXI4接口可能消耗上千LUTs，需权衡带宽需求。

共享总线与Crossbar：多主设备时，使用AXI Interconnect（交叉开关）优化带宽，但会增加面积。

3. 3 、错误处理

超时机制：

从设备若长时间未响应（如死锁），主设备需发起超时复位。

示例：计数器监控BVALID或RVALID的超时状态。

错误响应：

从设备返回SLVERR（从设备错误）或DECERR（地址解码错误）时，主设备需记录错误日志。

3. 4 、仿真与调试

仿真模型：

使用Xilinx AXI Verification IP（VIP）或开源AXI BFM（Bus Functional Model）验证协议合规性。

调试技巧：

插入ILA（Integrated Logic Analyzer）抓取AXI信号，监控ARVALID/RREADY等握手时序。

常见问题：地址未对齐、突发长度超限、握手信号死锁。

3. 5 、 FPGA厂商特定差异

Xilinx Vivado：

推荐使用AXI SmartConnect自动生成互连逻辑，支持动态地址映射。

AXI4-Stream需搭配DMA IP（如AXI DMA）实现PS（处理器）与PL（逻辑）间数据传输。

Intel Quartus：

使用Platform Designer（原QSys）配置AXI总线，支持Nios II处理器与自定义IP核集成。

注意：Intel的AXI实现可能要求信号命名与Xilinx不同（如awvalid vs. AWVALID）。

四、典型应用示例（Xilinx FPGA）

场景：通过AXI-Lite配置自定义PWM模块

地址映射：

0x4000_0000：PWM占空比寄存器（32位可写）。

0x4000_0004：PWM频率寄存器（32位可写）。

从设备逻辑（ verilog ）：

复制代码

always @(posedge ACLK) begin

  if (AWVALID && AWADDR == 32'h4000_0000 && WVALID) begin

    pwm_duty <= WDATA; // 更新占空比

  end

end

主设备（MicroBlaze CPU）：

cs 复制代码

// C代码示例

#define PWM_DUTY_ADDR 0x40000000void set_pwm_duty(uint32_t duty) {

  *(volatile uint32_t *)PWM_DUTY_ADDR = duty;}

五、总结

AXI总线在FPGA中的使用需严格遵循协议规范，并针对资源、时序和调试进行优化：

协议选择：根据带宽需求选择AXI4/AXI-Lite/AXI-Stream。

设计要点：地址对齐、握手时序、错误处理。

工具辅助：利用厂商提供的IP核（如AXI Interconnect）简化开发。

调试关键：ILA抓取信号，仿真验证协议完整性。

掌握这些规则与技巧，可高效实现FPGA中复杂系统的AXI互连设计。

AXI总线之FPGA应用

一 、AXI总线在FPGA中的使用规则

1.1、 协议选择规则

1.2 、 主从设备设计规则

1. 3 、 地址映射规则

1. 4 、 时钟与复位规则

二、 收发协议详解