AXI协议：AXI协议的burst机制

Posted 2023-01-11 呆呆象呆呆

8 Burst-based 的 AXI 协议

8.1 Burst概念

Burst，单词本身有爆炸、释放之意，可引申为突发之意。那么在数据传输的范畴中，就使用 burst 来表示一种传输模式：在一段时间中，连续地传输多个（地址相邻的）数据。此时可译为突发传输或者猝发传输。

在手册的术语表中，与 AXI 传输相关的有三个概念，分别是 transfer（beat）、burst、transaction。

• 两个 AXI 组件为了传输一组数据而进行的所有交互称为 AXI Transaction，AXI 传输事务，包括对应通道上的交互。
• AXI 是一个 burst-based 协议，AXI 传输事务（Transaction）中的数据传输以 burst 形式组织，称为 AXI Burst。
• 每个 Burst 中传输一至多个数据，每个数据传输称为 AXI Transfer。
• 双方握手信号就绪后，每个时钟周期完成一次数据传输，因此 AXI Transfer 又被称为 AXI beat，一拍数据。

他们之间的关系如下：

在 AXI 传输事务（Transaction）中，数据以突发传输（Burst）的形式组织。每个传输事务（Transaction）包括一至多个 Burst。

一次突发传输（Burst）中可以包含一至多个数据（Transfer）也就是多拍。

每个 transfer 因为使用一个周期，又被称为一拍数据（Beat）。

不严谨地说

AXI Transaction = M * AXI Burst, M >= 1
AXI Burst = N * AXI Transfer（AXI beat）, N >= 1

本文这一部分跟着协议手册，从地址、数据以及回复总线上的传输事务结构，来了解 AXI 的整体传输事务结构

8.2 读写地址的传输事务结构

在整个传输事务过程中，master首先将接下来 burst 传输的控制信息以及数据首个字节的地址传输给slave，这个地址被称为起始地址。在本次 burst 后续传输期间，从机将根据控制信息计算所有需要用到的后续数据的地址。

控制信息以及起始地址在读/写地址通道（AR/AW）传输。

注意协议中规定：单次 burst 传输中的数据，其地址不能跨越 4KB 边界。

协议之所以规定一个burst不能跨越4K边界，是为了避免一笔burst交易访问两个slave（每个slave的地址空间是4K/1K对齐的）

4K对齐最大原因是系统中定义一个page大小是4K，而所谓的4K边界是指低12bit为0的地址。

关于axi协议里面burst的4k问题_南方铁匠的博客-CSDN博客_axi burst

地址通道（AR/AW 均一致）传输的控制信息中，包括三项与突发传输相关的控制信号

信号	Source	描述
ARLEN/AWLEN	Master	突发长度。突发长度给出了突发中传输的确切数量。此信息确定与地址相关的数据传输数量。
ARSIZE/AWSIZE	Master	突发大小。该信号指示突发中每次传输的大小。
ARBURST/AWBURST	Master	突发类型。突发类型以及大小信息详细说明了如何计算突发内每次传输的地址。

8.2.1突发传输类型 AXBURST

分为ARBURST/AWBURST，类型共有 3 种，分别为 FIXED，INCR 以及 WRAP。使用 2 位二进制表示，具体编码方式如下。

• FIXED 类型：burst 中所有数据都使用起始地址。该模式适合对某个固定地址进行多次数据更新，比如读写一个 fifo 时，读写地址就是固定的。

• INCR 类型：最为常用，后续数据的地址在初始地址的基础上进行递增，递增幅度与传输宽度相同。适合对于 RAM 等通过地址映射（mapped memory）的存储介质进行读写操作。

• WRAP 类型：此种比较特殊，首先根据起始地址得到绕回边界地址（wrap boundary）与最高地址。当前地址小于最高地址时，WRAP 与 INCR 类型完全相同，地址递增。但到递增后的地址到达最高地址后，地址直接回到绕回边界地址，再进行递增，就这样循环往复。最高地址由绕回边界地址计算得到：wrap boundary + （N_bytes x burst_len）。根据协议手册上表示，WRAP 适合对 cache 的访问（至于为什么暂时我也不知道）。

地址计算参考：手册在章节 A3 详细给出了不同的突发传输模式下的地址计算公式与伪代码，有相关需求的读者可以参看这一部分。

8.2.2 突发传输长度 AXLEN

突发传输长度（burst length），指一次突发传输中包含的数据传输（transfer）数量，在协议中使用 AXLEN （ARLEN/AWLEN）信号控制。

在 AXI4 中，INCR 类型最大支持长度为 256，其他类型最大长度为 16。而 AXI3 中这一数字无论何种模式均为 16。因此 AXI4 中 AXLEN 信号位宽为 8bit，AXI3 中的 AXLEN 则仅需要 4bit。

协议中的 AXLEN 信号从零开始表示，实际的长度值为 AXLEN + 1。所以突发长度至少为 1。

突发传输长度在不同的模式（burst type）下有一些限制，包括：

• 对于 WRAP 模式，突发传输长度仅能为2,4,8,16
• 在一次突发传输中，地址不能跨越一个 4KB 分区
• 一次突发传输不能在完成所有数据传输前提前结束（early termination）

协议中多次强调，通信双方都不能在传输事务的所有 Transfer 完成前提前结束。哪怕发生错误，也得含泪走完整个传输事务的流程。

但是master也有办法减少传输的数据。在写传输事务中，source可以通过置低所有的写有效位，使写数据无效。在读传输事务中，master可以直接丢弃读取到的数据。

8.2.3 突发传输宽度 AXSIZE

指传输中的数据位宽，具体地，是每周期传输数据的字节数量，在协议中使用 AXSIZE 信号控制。

自然地，突发传输数据宽度不能超过数据总线本身的位宽。而当数据总线位宽大于突发传输宽度时，将根据协议的相关规定，将数据在部分数据线上传输。

突发传输宽度信号 AXSIZE 位宽为 3bit，编码表示为：

传输宽度 = 2 ^ AXSIZE

8.3 读写数据的传输事务结构

在 AXI 数据传输事务过程中，主要涉及到窄位宽数据传输（Narrow Transfer）、非对齐传输（Unaligned Transfer）以及混合大小端传输（mix-endianness）等问题。

8.3.1 窄位宽传输 Narrow Transfer

当本次传输事务中数据位宽小于通道本身的数据位宽时，称为窄位宽数据传输（Narrow Transfer），或者直接翻译成 窄传输。窄传输中通过master来调整有效数据的字节位置，以及给出字节有效信号 WSTRB，能够使slave无需进行数据重组等工作。

在窄位宽写传输中，master需要告知slave，数据通道（R/W）中哪些字节是有效的，需要使用到写数据通道中的 WSTRB 信号。WSTRB 信号中的单个 bit 置起，表示对应位置上的字节有效，对应关系为：

信号	Source	描述
WSTRB（读的时候没有这个控制信号）	Master	写入选通。该信号指示要在内存中更新的字节通道。写入数据总线的每八位有一个写入选通。因此，WSTRB[n]对应于WDATA[(8×n)+7:(8×n)]，表示这些数据线是否有效。当 WSTRB[n] 为 1 时，WDATA[8n+7:8n]有效。

WSTRB 信号比特位宽等于数据通道位宽的字节数量，比如 32bit 位宽的数据通道，对应 WSTRB 信号位宽为 4bit。

对应于下图的情况中，灰色的部分代表数据无效，第一次的传输中低地址第一字节有效，其他数据无效的 ，WSTRB 信号为 0x01，WSTRB [0] 为 1，即 D[7:0] 有效。

关于上图中的窄位宽传输说明：

• burst 传输长度为 5
• 数据总线位宽为 32bit，burst 传输位宽为 8bit
• 起始地址为 0x0，突发类型为 INCR

从图中我们发现，在每次数据传输中使用的数据总线字节位置（byte line）不同，分别是[7:0]，[15:8]，[23:16]，[31:24]，尽管数据以字节为单位，分为多个周期传输，但是数据的位置仍与其地址对应。D[7:0]将写入起始地址 0x0，故位于最低字节。D[15:8] 将写入地址0x1，故位于次低字节。

该设计的意义在于，当master是因为slave或者其他客观条件限制，需要进行窄传输时，可以一次性将数据放置于数据总线上，只需在每次传输期间改变 WSTRB 信号即可。以上图为例，master将 D[31:0] 防置于总线，在接下来的四个周期中，仅需对 WSTRB 进行移位，即可依次完成 4 个字节的传输，同时slave自己将接收到的数据整理好，存放于他自己想要的位置。

该结构有利于 memory 类型的slave进行写入处理，这里设想一种实现方式，结合下图讲解

在 64bit 位宽的总线上进行 32bit 位宽传输，此时假设存储介质位宽与总线位宽一致，为 64 bit。

关于第一拍，第二拍，第三拍的描述是我自己的理解：

第一拍，英文协议中叙述说起始地址为 0x4 ，可以理解为实际是从地址 0x4 开始写入了 32bit 数据。slave获取整个总线上的 64bit 数据存储至存储介质中，比如 DDR，并利用 WSTRB 作为 mask 信号屏蔽无效的低 32 bit（比如 DDR 的 DQM 信号）。这时候对于存储介质的写入地址为 0x0，实际写入的起始地址是0x4。

第二拍，slave获取整个总线上的 64bit 数据存储至存储介质中，并利用 WSTRB 作为 mask 信号屏蔽无效的高 32 bit。这时候存储介质的写入地址为 0x8，实际为从地址 0x8 开始写入了 32bit 数据。

第三拍，slave获取整个总线上的 64bit 数据存储至存储介质中，并利用 WSTRB 作为 mask 信号屏蔽无效的低 32 bit。这时候存储介质的写入地址为 0x8，但实际只从地址 0xC 开始写入了 32bit 数据。

注意：协议未规定窄传输中从机的具体实现，这里举了一个设想的例子，后续需要结合窄传输的用途再研究考证

在读传输中，slave的操作逻辑与写传输中的主机相同，但是slave没有提供控制信号的地方，所以没有类似 WSTRB 的信号。所以需要master根据突发传输宽度与总线位宽，计算当前总线中有效数据所在字节位置，读取数据。

协议规定在 INCR 和 WRAP 模式中每次使用的 byte line 必须不同，即数据位置与地址对应。而在 FIXED 模式中，整个传输过程使用相同的 byte line（地址反正 FIXED 不会变）。

8.3.2 非对齐传输 Unaligned Transfer

AXI 协议支持地址非对齐的传输，允许突发传输的首字节地址，即起始地址与突发传输位宽不对齐。举个例子，总线位宽为 32bit 时，如果起始地址为 0x1002 ，则产生了非对齐现象。与 32bit 位宽总线对齐的地址需要能被 4 整除，即低位的地址线需要满足 ADDR[1:0] = 2’b0。

注意：此处对齐与否应该取决于突发传输的宽度，而不是总线位宽。

对于非对齐传输，主机会进行两项操作：

• 即使起始地址非对齐，也保证所有传输是对齐的
• 在首个 transfer 中增加填充数据，将首次传输填充至对齐，填充数据使用 WSTRB 信号标记为无效

我们通过几个例子来说明master具体的工作：

起始地址为 0x1，非对齐，但主机通过添加一字节的填充数据将 transfer 1st 的实际地址调整为对齐的 0x0，并用 WSTRB 信号为 4’b1110 标识出最低字节上无效的填充数据。

在读传输中，slave也按照同样的原则，在读数据中填充无效数据实现对齐，由master自行分离。

再举一个例子

根据之前的经验来看下。首先起始地址为不对齐的 0x07 ，所以首先将首个传输填充至与突发传输位宽 32 bit 对齐：

0x07 mod 4(byte) = 3 byte

至此非对齐的问题就已经解决了。接下问题就简化为窄传输。根据我们上一节的分析，在 transfer 1st 中 再填充 4 个字节。后续的 transfer 中则遵从窄传输的原则即可。

8.3.3 混合的大小端模式 Byte Invarience

首先我们知道内存中有 2 种大小端模式，主要区别在于，数据的高字节是存在低地址中还是存在高地址中。

大端认为：高字节（MSB）应该存在低地址

小端认为：低字节（LSB）应该存在低地址

那么为了能够使大小端模式在存储中共存，AXI 协议设计了一种字节顺序恒定（Byte-invariant）的大小端传输方案。对于存储中包括多个字节的数据结构（单字节自然不存在大小端问题）：

• 无论大小端模式，每个数据结构存储空间的分配方式是相同的
• 该数据结构按照其大小端模式决定字节存储的地址顺序
• 在传输过程中不考虑数据结构的大小端，按照字节原先存储的顺序，原样传输并存放至对端

该模式的意义在传输双方均不对数据结构的大小端进行解析转换，而严格按照字节的存储顺序进行传输并转存，防止大小端共存产生数据覆盖。

这个知识点将在涉及到具体问题时，再深入讨论。

8.4 读写回复的传输事务结构

读写传输事务（Transaction）都存在 2bit 位宽的回复信号 RRESP/BRESP，分别存在 4 种回复情况，分别为

• OKAY ，常规访问成功

• EXOKAY，独占访问成功

• SLVERR，从机错误，尽管从机接收到了访问请求，但因为种种原因向主机返回了一个错误状态，AXI 传输事务的回复由应用具体决定，可能包括以下错误场景：

  • FIFO 或者缓冲区溢出
  • 主机发起了不支持的传输位宽
  • 尝试向读保护的地址写入数据
  • 超时

• DECERR，解码错误，一般由 interconnect 组件产生，表示主机发送的传输事务地址无效，无法将传输事务发送给某个从机。

注意：在写传输事务中，单个写回复通道针对的是整个 burst，而不是 burst 中单个 transfer。但是在读传输事务中，slave可以为突发传输中每一个读传输数据产生不同的读回复信号。