AMBA总线（15）关于AXI-stream（sg模式）

SG模式的典范-----最有魔力的协议，大家要好好学。网络都是它。

本篇文章给讲讲AXI-stream。该协议在AMBA4中推出，AMBA4中总共有以下三种跟AXI相关的协议：

AXI-FULL：或者直接简称AXI，我们之前的文章讲的都是这种协议；
AXI-Lite：简化版本的AXI协议，少了很多特性，如果对之前的AXI文章都理解了话，该协议非常简单，不用特地去学，看一下接口信号就知道是怎么回事了；
AXI-Stream：用于高速数据流传输，非存储映射接口；
在这里我们首先解释一下存储映射（Memory Map）这一概念。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。这个地址对应系统存储空间中的一个地址，标明是针对该存储空间的读写操作。这个非常好理解，前面我们讲解AXI协议的时候，都是针对某个地址进行读写，那它就是存储映射的。

1、AXI-Stream典型应用场景

而本篇文章所要讲解的AXI-Stream接口，其数据传输时不需要地址，在主从设备之间直接连续读写数据，主要用于如高速视频、高速 AD 、PCIe、DMA接口等需要高速数据传输的场合。我们通常把源端即数据发送的一方称为上游，另一方称为下游。

下图是两个典型的应用实例，本人做过一些信号处理和视频图像处理的模块，模块之间的传输均采用AXI-stream，为什么AXI-stream应用如此广泛呢？那自然是因为有自己独到的设计之处，既简单又能覆盖绝大部分应用场景，下面为大家讲解该协议的细节。

我们看一下一个结合了各种AXI协议的SoC系统，这是一个典型的图像采集处理显示的系统，很多FPGA开发板的教学文档，实际上都会有该项目。可以看到通过摄像头采集信息，其经过原始的处理以后会通过流数据（这里实际上可以有很多种流数据形式，我们以AXI-stream为例）的形式传输到Filter模块，这个Filter模块可能会进行图像的滤波，Crop等等操作。然后Transform模块可能又会进行插值操作，格式转换操作等等。但其输出往往还是AXI-stream，不能直接写到DDR，怎么办？

这个时候我们就需要一个DataMover模块，将Stream流数据转换为标准的AXI写请求，将数据搬运到指定的地址空间。再通过另外一个AXI DataMover将该地址空间的数据搬运出来，进行后处理，最后输出HDMI显示。DataMover这个模块非常有用，在这种图像/信号处理系统当中用的非常多非常多，大家感兴趣可以学习一下。

为什么需要写到地址空间再读回来呢？这种情况一般是帧率不匹配，所以需要借助DDR存储数据。此外这个DataMover可以用VDMA代替，更加适配图像相关的应用场景。

通过这个例子，我们发现AXI-Stream用的很广泛，因此我们有必要好好学习一下。

2、AXI-Stream接口信号

接下来我们看一下AXI-Stream的接口信号，如下图所示，AXI-Stream是点对点的接口，包括Master一方和Slave一方。同样的，其也采用握手协议，这里握手成功则代表数据成功传输，相应的可以更新下一组数据。

2.1、AXI-Stream握手机制

其握手也可以分为三种情况：

 TVALID在TREADY之前拉高：这也是最常见的一种情况，后级因为种种原因暂时处理不了新的数据，因此会反压住前级模块，前级必须维持住VALID和INFORMATION不变，直到握手成功才允许更新，当握手成功也就意味着下级模块拿到了前级传的数据。

实际上在很多情况下，是不允许反压的。比如DSP系统，要求实时的源源不断的处理数据，这种情况下一旦反压，新的数又来了，就会丢数。一般这种系统出现这种情况是因为工作异常导致的，会直接报中断处理。

 TREADY在TVALID之前拉高：这种情况后级模块随时可以接收数据，一直在等着前级模块给数，比如前级模块还未开始工作，刚对其进行配置允许其采集数据，便是这样的情况。

 TVALID和TREADY同时拉高：拉高当拍直接握手成功。

同样的，VALID的逻辑生成，一定不能够依赖于READY，否则很有可能会造成死锁。但是反过来READY是可以依赖于VALID的，可以看到VALID拉高READY再拉高，不过现在一般也不这么做了，基本都是完全解耦的。

2.2、AXI-Stream数据流

首先给大家解释几个名词：

 Transfer：一次握手成功就是一次Transfer，代表一笔最小粒度的数据传输发生；

 Packet：一组信息传输成功，所谓的Packet可能包含一个Transfer也有可能是多个Transfers。这个概念类似于之前的一次Burst传输即Transaction；

 Frame：AXI-Stream中最高层次的一组数据，代表了多个Packet。用的很少，一般只在视频图像传输中使用，代表一帧图像，其他时候可以不管；

理解了上述概念以后，我们看AXI-Stream数据流相关的信号。

首先是TDATA，这个没什么好解释的，就是一次transfer传输的数据，一般强制要求为8的整数倍，以和其他信号相对应。

然后是TSTRB，所谓的Strobe就是闸门，其每一个bit和DATA的每一个字节相对应，用来表示DATA的数据是否有效。

然后是TLAST，由于AXI-Stream在传输之前，也不知道你要传输多少笔数据，因此需要TLAST这个信号作为标志，它用来表示一组数据即Packet的最后一笔Transfer，当TLAST拉高，则代表整个的传输结束了。

比较难以理解的是TKEEP信号，其也是说明总线上的数据是不是有效的。每一个bit和DATA的每一个字节相对应，大家可能会疑惑了，这和TSTRB有什么区别呢？我们先来看几个名词解释：

 Data byte：代表这个字节的数据是需要传输且有效的；

 Position byte：代表这个字节的数据是需要传输的，实际上是无效的，只不过需要用来占位置，大家就理解成补0那种操作即可；

 Null byte：完全没用，可以丢弃；

然后我们再看一下，实际上TKEEP和TSTRB是要组合在一起使用的，其共有三种含义：

我们再看两个图加深下理解：

第一个是NULL Byte：可以看到Null Byte啥作用都没有，直接没用上，传完第0Byte，传了个Null Byte，再传了个第1Byte，下游是知道应该怎么处理这个DATA信息的。

第二个是Position Byte：可以看到Position实际上是占据了这个位置的，相当于作为第二Byte来使用，虽然里面的数据是无效的。这种情况一般是传输队形要求固定，但每一组数据的某个Byte可以不看，就用以下的Position Byte。

以下说明一下Position byte具体应用场景：

 Data Mark：比如在视频处理当中，可以使用Position Byte当做一帧的开头；

Error Detection：每过多少比特插入一个Position Byte用于检测错误。如果不符合规律说明丢数之类的问题；

 Data Group：就比如上图中，一次传4个Byte的数据，但是有一组或者两组数据是无效的，这样就可以用Position Byte。让数据的Group是规律的，同时Slave也可以感知到某个数据是无效的。

我们看下面这样的一个例子，该例子对应于上面的Data Mark。我们有这样的一个图片，总共16个Pixel，一共是4行4列。我们希望发过去，Slave那边知道这是一次传输的开始，因为它那边可能也不知道这是无用数据还是真正要用的数据。

这种情况下我们就可以在起始加入一个Position Byte。这样Slave一看，就知道一帧图开始了。然后正常的收数据，当第五次Transfer的时候（W4），后面3个Byte都是可以丢弃的，即设置为Null Byte。就这样五次Transfer作为一次循环。相比原始图像而言，可能浪费了一个周期，但是某些应用场景下Slave就是需要感知一帧图像的开始，使用这种方式就非常的合适。

最后我们再看一下TID信号，这个信号一般是用来当分组使用。本人之前使用该信号，是因为接收的数据是三路数据，类似于三相电路的机制，所以要分为0、1、2三组，通过TID进行区分，以方便后级的处理。大家也可以根据自己的应用场景，灵活的使用该信号。

TDEST为数据流提供路由信息，比如下面的例子，通过TDEST信号，就可以知道是发到哪个Slave。实际上该信号用的很少很少，因为AXI-stream基本上是点对点的，很少有Interconnect的说法。

TUSER其实跟TID差不多，实际上都是附带一些额外想传输的信息而已，该信号更加的灵活，用户可以附带自己想要传输的额外信息。

本篇文章就给大家讲解这么多，AXI-Stream协议实际上非常简单，但其简单的信号又能够覆盖大部分流数据处理的应用场景，这也是为什么该协议这么流行吧。大家以后如果做视频图像处理、数字信号处理等相关的设计，我也推荐大家使用该协议做外部接口。感兴趣的朋友可以去AMD VIVADO软件看看XADC、FIR、FFT等模块，都可以选择以AXI-Stream作为对外接口，基于调用IP，就可以实现一个简单的信号处理系统。后面可以写两篇文章讲一下DDS、FIR、FFT等VIVADO IP模块的调用以及设计实例。