簡(jiǎn)單講解AXI Interconnect IP核的使用方法

最近需要用到AXI接口的模塊，xilinx的IP核很多都用到了AXI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令傳輸。如果有多個(gè)設(shè)備需要使用AXI協(xié)議對(duì)AXI接口的BRAM進(jìn)行讀寫，總線之間該如何進(jìn)行仲裁，通信？

這里我們注意到，Vivado有一個(gè)叫做AXI Interconnect (RTL)的IP核，這個(gè)IP核可以實(shí)現(xiàn)上述功能。

本文將簡(jiǎn)單講解AXI Interconnect IP核的使用方法，設(shè)計(jì)到Vivado的Block Design，仿真等知識(shí)運(yùn)用。

為了簡(jiǎn)化整體例子的復(fù)雜度，整個(gè)測(cè)試工程項(xiàng)目采用了兩個(gè)措施：

1. 使用Block Design代替了RTL代碼書(shū)寫連線操作
2. 使用AXI4-Lite總線進(jìn)行測(cè)試，相對(duì)于AXI4，省去了部分信號(hào)
3. 整個(gè)工程量不大，故沒(méi)有在VCS中仿真，使用Vivado自帶的仿真器做仿真

最終整體的Block Design結(jié)構(gòu)如下圖：

圖1

簡(jiǎn)單介紹一下圖1中的模塊功能

1. clk_wiz_0: MMCM，模式時(shí)鐘管理器，這里作用主要是產(chǎn)生100MHz的clk_out1和200MHz的clk_out2，類似鎖相環(huán)；
2. proc_sys_reset_x: 系統(tǒng)復(fù)位模塊，根據(jù)輸入時(shí)鐘和輸入的信號(hào)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的高復(fù)位有效信號(hào)和低復(fù)位有效信號(hào)；
3. axi_interconnect_0: AXI Interconnect，這里管理著2個(gè)Slave接口和1個(gè)Master接口；對(duì)總線傳輸進(jìn)行仲裁，通信，時(shí)序轉(zhuǎn)換等操作。
4. axi_bram_ctrl_0: Bram Controller，AXI接口的Bram控制器；
5. blk_mem_gen_0: Block Ram

簡(jiǎn)單介紹下Block Design的AXI Interconnect IP核使用（因?yàn)锽lock Design可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連線，自動(dòng)設(shè)置位寬等信息，所以設(shè)置內(nèi)容沒(méi)有AXI Interconnect RTL多，后者專用于Verilog代碼中使用）

圖2

這個(gè)界面設(shè)置Slave Interface的數(shù)量，與Master 模塊的數(shù)量對(duì)應(yīng)；Master Interface數(shù)量，與 Slave模塊的數(shù)量對(duì)應(yīng)，如果想不明白可以看圖6。

圖3

圖4

這里使能S/M_AXI端口的Register Slice和Data FIFO功能，Slice對(duì)時(shí)序收斂有一定作用，但是數(shù)據(jù)輸出會(huì)延遲一個(gè)周期；Data FIFO，顧名思義，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存和packet mode。

圖5

勾選圖2的Advanced Options后，可以進(jìn)入圖5界面，這里可以設(shè)置S_AXI端口的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)值越高，越優(yōu)先，平行優(yōu)先級(jí)的端口會(huì)使用輪詢的方式處理端口請(qǐng)求。

圖6

整個(gè)IP核的外部端口，Sxx_AXI連接Master模塊的M_AXI接口；Mxx_AXI連接Slave模塊的S_AXI接口；ACLK是IP核的運(yùn)行時(shí)鐘，ARESETN是IP核的異步低有效復(fù)位信號(hào)。

Sxx_ACLK是對(duì)應(yīng)總線的總線時(shí)鐘，Sxx_ARESETN是對(duì)應(yīng)總線的異步低有效復(fù)位信號(hào)。同理，Mxx_ACLK是對(duì)應(yīng)總線的總線時(shí)鐘，Mxx_ACLK_ARESETN是對(duì)應(yīng)總線的異步低有效復(fù)位信號(hào)。

圖中出現(xiàn)了4個(gè)時(shí)鐘端口，這4個(gè)時(shí)鐘端口的頻率可以各不相同。曾經(jīng)我很疑惑ACLK的時(shí)鐘頻率到底應(yīng)該如何設(shè)置，找到了一個(gè)在Xilinx論壇的帖子，上面的建議是連接到任一Sxx_ACLK或者M(jìn)xx_ACLK，雖然ACLK可以隨意連接到一個(gè)時(shí)鐘頻率信號(hào)。

圖1的輸入端口有S00_AXI,S01_AXI的接口，clk_100MHz的時(shí)鐘輸入信號(hào)，reset_rtl_0的高有效復(fù)位信號(hào)；輸出有100MHz的clk_out1，200MHz的clk_out2;

然后將Block Design生成為verilog文件，供其他的verilog文件直接實(shí)例化。這里我們利用留出的clk_out1,clk_out2,s00_axi,s01_axi接口，對(duì)Bram進(jìn)行簡(jiǎn)單的地址讀寫操作，讀寫時(shí)鐘分別為200MHz/100MHz。

Testbench里面，除了必要的initial和時(shí)鐘賦值外，主要的還是對(duì)s00_axi,s01_axi的控制。

s00_axi在100MHz時(shí)鐘域下，我們單獨(dú)對(duì)它進(jìn)行寫操作。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，原本的設(shè)計(jì)中，握手信號(hào)想等著s00_axil_awready信號(hào)拉高之后，這邊的s00_axil_awvalid再拉高。結(jié)果發(fā)現(xiàn)awready遲遲沒(méi)有拉高，在看完參考資料1后，才知道需要Master這側(cè)的valid先拉高，否則slave的ready信號(hào)不一定會(huì)拉高；所以s00_axil_awvalid, s01_axil_arvalid設(shè)置為1 。

100MHz頻率下，s00_axil_awaddr 在寫入數(shù)據(jù)完成(s00_axil_wready & s00_axil_wvalid)后，地址會(huì)加4；地址寫到1024后會(huì)重新歸零。

可以看到，等到s00_axil_wready拉高，Master會(huì)把s00_axil_wvalid拉高，并生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)寫入BRAM；然后s00_axil_wvalid拉低。

always @ (posedge clk_out1) begin
if (s00_axil_wready & s00_axil_wvalid)
s00_axil_awaddr <= (s00_axil_awaddr < 32'd1023) ? s00_axil_awaddr + 32'd4 : 0;

if (s00_axil_wready & ~s00_axil_wvalid) begin
s00_axil_wvalid <= 1'b1;
s00_axil_wdata <= $random;
end
else
s00_axil_wvalid <= 1'b0;
end

200MHz頻率下，s01_axil_araddr在讀取數(shù)據(jù)完成后(s01_axil_rvalid & s01_axil_rready)，會(huì)加4；同樣，地址寫到1024后會(huì)重新歸零。

可以看到，等到s01_axil_rvalid拉高，s01_axil_rready會(huì)拉高，讀取出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，然后拉低s01_axil_rready；

always @ (posedge clk_out2) begin
s01_axil_arvalid <= 1'b1;
if (s01_axil_rvalid & s01_axil_rready)
s01_axil_araddr <= (s01_axil_araddr < 32'd1023) ? s01_axil_araddr + 32'd4 : 0;

if (s01_axil_rvalid & ~s01_axil_rready) begin
s01_axil_rready <= 1'b1;

end
else
s01_axil_rready <= 1'b0;
end

當(dāng)然，為什么兩個(gè)不同的總線能夠?qū)σ粋€(gè)BRAM進(jìn)行操作，這里涉及到地址分配的問(wèn)題；

圖7

兩個(gè)總線可以訪問(wèn)到同一個(gè)地址，所以自然可以對(duì)同一個(gè)BRAM進(jìn)行操作；那有人可能問(wèn)，假如我操作s00訪問(wèn)的地址超過(guò)了分配的地址范圍呢，那么s00_axil_bresp會(huì)等于2'd3，告知地址錯(cuò)誤的問(wèn)題。

圖8

由于設(shè)計(jì)問(wèn)題，讀取的地址相比寫入數(shù)據(jù)落后幾個(gè)時(shí)鐘周期，這樣可以將剛寫入的數(shù)據(jù)讀出來(lái)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明AXI Interconnect不僅是總線仲裁器，還幫助時(shí)鐘域不同的AXI總線完成了時(shí)序轉(zhuǎn)換。除此之外，AXI Interconnect還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換，AXI協(xié)議轉(zhuǎn)換，例如AXI4/3轉(zhuǎn)AXI4-Lite，AXI4轉(zhuǎn)AXI3等；增加Register Slice改善時(shí)序，增加數(shù)據(jù)fifo緩存數(shù)據(jù)；

AXI Interconnect最多支持16 MI與16 SI組合。不過(guò)，當(dāng)配置只有一個(gè)SI接口時(shí)，MI接口最多可以設(shè)置到64位。

其中的仲裁采用的輪詢調(diào)度算法，當(dāng)然，IP核可以設(shè)置每個(gè)SI的優(yōu)先級(jí)，值越高，優(yōu)先級(jí)越高；

當(dāng)然，這篇文章只是為了簡(jiǎn)單介紹AXI Interconnect的作用，更復(fù)雜更多的功能還有待發(fā)掘。當(dāng)然，功能強(qiáng)大意味著復(fù)雜，比如根據(jù)參考資料2，AXI4協(xié)議中的ID信號(hào)，如果在AXI Interconnect中使用不當(dāng)，可能造成仲裁器死鎖。

圖9

看上圖，在我的示例中，ACLK與S01_ACLK同源同頻，所以示意圖中，s01_couples從S_AXI直通到M_AXI;而s00_couples則添加了一個(gè)AXI Clock Converter做時(shí)序轉(zhuǎn)換；在m00_couples中，又使用了AXI Clock Converter將ACLK轉(zhuǎn)換到M00_ACLK；

至此，簡(jiǎn)單總結(jié)下在AXI通信中使用AXI Interconnect的好處：

1. 真正實(shí)現(xiàn)了總線通信，N Master模塊與M Slave模塊的通信，減少了相互間通信的復(fù)雜度
2. 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘域轉(zhuǎn)換，不需要外部的過(guò)度干預(yù)
3. 內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)FIFO等，免去了很多場(chǎng)景下需要FIFO，Register，位寬轉(zhuǎn)換，協(xié)議轉(zhuǎn)換的需求