【干货知识】深入理解AMBA总线协议（AXI总结篇）

AXI总线已经是AMBA总线中最常见，使用最频繁的总线，并且没有之一。

可以说AXI总线已经成为了片上总线中最重要的协议，本篇文章打算花一些篇幅，帮大家总结一下AXI总线的学习重点、学习难点，以帮助大家更好更快的掌握AXI总线。

一、什么是总线（Bus）

1.1、什么是片上总线

要理解AXI总线，首先要理解什么是总线。大家刚接触总线的时候千万不要纠结于具体的概念，可以简单的理解成几根线按照规定的方式通信即可。

对于芯片设计而言，可以简单的理解，总线就是一组通信规范，允许系统中不同组件之间进行传输。
AMBA总线，包括AXI属于片上总线（On-chip Bus），它用于芯片内部中各个模块之间的通信。

总线可以简单的分为设备之间的总线和片上总线。其中设备之间的总线有时候也可以叫做传输接口，比如最常见的UART串口，硬盘的PCIE、SATA接口。显示器的HDMI接口，电脑的USB、Type-C接口等。这些传输接口往往更注重设备的电气特性、稳定性。这是另外一套大的话题，后面可以单独开个专题讲一些常见的传输接口。

而另外一种总线就是我们今天要聊的话题，片上总线。所谓片上总线。顾名思义，就是同一个芯片上（一般指SoC系统），各个模块（IP核）之间的数据通信方式。比如大家都设计好了自己的模块，要集成在一个芯片上。如果都能满足类似的通信方式或者接口，那集成起来就非常的方便，其实片上总线的规范制定也是考虑到可扩展性。一般片上总线要满足以下的标准：

对频率和数据吞吐量有较高的要求
扩展性强，能够很方便扩展更多模块
常见的片上总线有Wishbone（部分MIPS芯片使用）、Avalon（Altera芯片会使用）、Tilelink（UCB用在其RISC-V项目中）、AMBA（绝大多数SoC会使用）。

1.2、总线中常见的名词和组件

接下来我们谈谈总线中常见的组件。以下说的这些概念和机制对任何常见的片上总线都是成立的。

首先是Master和Slave。前面已经说到了，总线是用来进行数据传输用的，那么既然是数据传输，必然有发起方和接收方。一般我们称之为Master和Slave。

对于命令而言，是由Master发给Slave，而数据可以是双向传输的。比如可以是Master写给Slave，也可以是Slave返回数据给Master，甚至还可以是两者都有。Master和Slave的区分关键在于命令（这次传输）是谁发起的。

除了Master和Slave，总线中一般还包括哪些组件呢？比如有多个Slave的时候，那么自然要确定你的命令是发给哪个Slave的，这个时候我们就需要地址译码器。而当Slave返回数据的时候，Master需要知道是哪个Slave回的数据，因此还需要MUX选择器。

如果我们有多个Master的时候，就需要仲裁器来选择到底是哪个Master可以发起某次通信，上述的这一套仲裁译码等机制，可以组合在一起，构成片上互联（Interconnect）。所谓的互联，可以理解为把所有模块的通信集成在一起。基于互联系统可以完成Master对Slave的访问而不用在乎互联的内部实现细节（对于IP设计者而言）。

1.3、什么是AMBA总线

AMBA全称Advanced Microcontroller Bus Architecture。即高级微控制总线架构。首先高级是针对那个年代而言的，其实也没有多高级。然后是Microcontroller，微控制器，可以知道它最初是用在微控制器上，实际上就是ARM自己的处理器上。然后Bus Architecture，即总线架构。

AMBA协议是一个公开标准的片上芯片互联协议。（AMBA没有版权费，大家都可以使用，协议都是公开的）
提供接口标准使IP可以服用（IP reuse，加速设计和集成）
移动领域和物联网领域使用最广泛的片上总线，没有之一（桌面领域我不清楚）

然后我们看一下AMBA的发展历史，对于大家来说，学习APB、AHB和AXI就行。我相信如果大家已经学习到ACE和CHI了，也不用看我这篇文章了。而最最重要的就是AXI。

二、AXI总线的学习路线

大家有了总线的基本概念以后，便可以开始学习AXI总线，以下是我推荐的AXI总线的学习路线。

2.1、第一阶段：带着问题去看源文档

学习AXI总线之前，首先我们要知道为什么会出现AXI总线，即它设计之初是为了解决什么问题的，没有AXI总线会怎么样？

AXI总线是ARM公司在其第三代AMBA中推出的，称之为AXI3.0，有时候也可以叫做AXI1.0。其设计的目的是针对高性能、高时钟频率的系统设计，用于在这些场景替代AHB协议的。针对这一特点，我们可以思考一下，为什么AXI的性能就高了？为什么AXI可以跑到较高的时钟频率？

带着这一问题去看协议，就可以明白AXI提高性能最主要的因素是因为，AXI是读写通道分离的，其作为全双工的协议，自然比AHB这样的半双工协议快，此外AXI是基于握手机制的，并且通道之间的握手没有1T cycle delay的要求。因此这么多复杂的东西不需要一个时钟周期就全部算完，可以插入寄存器逻辑，自然可以提高主频。

类似的点还有很多，我帮大家总结了一下，大家可以先带着这些问题去思考，然后去看AXI协议，知道这些信号设计的目的是什么，即使协议看不太明白，也不至于不清楚为什么要有这个东西。这种感觉就像之前学数学课，即使你看不太明白推导，但也不至于完全不清楚为什么要有这个东西。

如何提升主频以及保证数据安全？->AXI的握手机制
数据不是顺序回来的怎么办、想多发几个命令出去怎么办？->AXI的Out of Order、Outstanding、ID机制
现代多核处理器中的数据一致性如何保证？->AXI的原子访问机制和Response相关信号
非对齐访问如何实现？->AXI支持非对齐访问
现代处理器中往往有Cache和Buffer，AXI怎么支持？->AXI的Cache信号
现代处理器往往有特权访问、安全访问等机制，AXI如何支持？->AXI的PROT信号

大家带着这些问题，然后去看文档，边看边思考。理解AXI为什么要设计这些信号，先不用在意实现细节，具体哪些比特代表啥，先知道有这么一回事就行。并且边看边补充一些计算机组成原理和操作系统相关的知识，这是第一阶段。

2.2、第二阶段：自己动手设计简单的AXI IP模块

在完成第一阶段以后，基本都会对AXI协议有个初步的了解，但毕竟纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。完成AXI协议的了解以后，应该自己动手去设计具有AXI接口的Master和Slave。

不一定要特别复杂。这里建议可以从最简单的AXI-lite开始，设计一个AXI-lite的从机，然后可以通过AXI-lite给它配置相应的寄存器。配置寄存器这一部分可以在TB里面完成。

然后可以设计一个相对复杂点的AXI-full的Slave，比如AXI2RAM模块，该模块可以支持突发乃至Outstanding，甚至可以支持乱序，完成该模块以后工作中再遇到AXI-Slave设计，至少心里不会虚，并且面试基本可以应付大部分问题了。

最后可以再设计一个AXI Master，从主机和从机两个不同的维度深刻理解AXI协议的通信机制，这个主机同样的也可以支持Outstanding乃至乱序。这里建议设计一个AXI DMA，非常的锻炼人。

上述的这些模块设计可以去网上如github找些开源的AXI IP，参考别人的设计理念，然后再自己动手做，毕竟能一次自己做出来，基本上是不可能的。

2.3、第三阶段：学习AXI接口验证以及AXI互联IP

首先说AXI接口验证，其实工作中大家写完了AXI的IP，并不知道是否符合AXI的通信要求，很多公司可能会用VIP，能给各种AXI的激励，然后大家根据自己IP的结果判断设计的是否合理。大家可以想一想这个VIP到底是怎么设计的，如果让你来设计，你会怎么做。

然后是AXI互联IP，前面已经说过什么是互联了，由于总线互联非常复杂并且非常重要。实际上大多数公司会采用买总线互联IP的方式。大家可以自己动手设计一个简单的互联IP，让自己设计的Master和Slave挂在上面，然后看能否建立通信，如果没问题的话，可以进一步的学习如何使用第三方IP，比如典型的NIC400。