ZYNQ芯片AXI 协议和PL和PS接口互联
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AXI 协议
Zynq可扩展平台的性能不仅在于PS与PL的功能强大，最大的优势在于能把二者联合起来使用以形成完整体系。其中，起到至关重要作用的就是通过AXI总线协议实现两部分的紧密联合。
在介绍AXI协议之前先介绍先进的微控制器总线结构（Advanced Microcontroller Bus Architecture，AMBA）。AMBA是一个开放标准，概述了如何在SoC中连接和管理不同的组件或块[65]。AMBA规范由ARM开发，已经成为SoC中接口组件的实际标准。AMBA规范是为了解决SoC设计中的一些关键问题而开发的。其中之一是解决快速开发的需求，这意味着如果使用AMBA，可以确保从一开始就有一个连贯的设计，从而减少昂贵的重新设计的费用。在2.0改进版中，AMBA为了更好的促进片上通信描述了三种不同的总线，有高级高性能总线(Advanced High Performance Bus，AHB)、高级系统总线(Advanced System Bus ,ASB)和高级外围总线(Advanced Peripheral Bus,APB)。
最终，由于AHB达到了性能极限，到2003年ARM已经发布了新一代AMBA协议。在3.0改进版中引入了AXI协议，AXI代表高级可扩展接口（Advanced Extensible Interface，AXI），通过点对点连接方案实现的性能比AHB更好。与系统总线不同，AXI互连只允许使用几个定义良好的接口在主从之间进行事务处理，如图4. 5所示。
图4. 5 AXI协议的接口与互联
Fig4. 5 AXI protocols for interfaces and interconnections
AXI协议目前的最新版本是AXI4.0，并且包含三种不同的子协议：
- AXI接口与协议
高性能接口协议，适合寄存器映射数据传输的需求，支持地址阶段最高可以达256个数据位的传输。主要用于CPU访问寄存器等需要高速数据交互的场景使用。
- AXI-Lite接口协议
简单化，低流量的地址映射接口协议，对于数据批量传输不支持，仅仅支持存储器映射的单次数据通信。因较低的速率传输，用于访问速度低的外设。
- AXI-Stream接口协议
AXI4-Stream协议用于主要关注以数据为中心和数据流范式的应用程序，这些应用程序不存在或不需要地址的概念。每个AXI4-Stream充当握手数据流的单一单向通道。在数据流应用程序中，AXI-Stream IP可以更好地优化性能，但也趋向于更加专门化在给定的应用程序空间中[66]。
Fig4. 6 AXI protocols read data architecture
图4. 6 AXI协议读数据架构
图4. 6显示了AXI协议读数据框架，读操作顺序为主与从进行读地址通道握手并传输地址内容，然后在读数据通道握手并传输所读内容以及读取操作的回应，时钟上升沿有效。
图4. 7显示了AXI协议写数据框架，通过写地址通道传输地址和控制信息，其中地址和控制信息在写入数据之前从主机传递给从机。与读数据框架不同的是，在每次批量数据写入完成后，从机会发出一个响应信号，向主机表明写操作完成。
AXI4协议为读写提供独立的数据和地址连接，允许同时进行双向数据传输。在突发传输模式下给一个首地址可以一次性传输高达256个数据。
图4. 7 AXI协议写数据架构
Fig4. 7 AXI protocols write data architecture
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PL和PS接口互联
在ZYNQ平台上，PL与PS的交互主要通过AXI通道进行点对点通信地址、数据和响应事务。AXI接口主要包含三种数据通路：AXI_HP（High Performance）、AXI_GP（General Purpose）、AXI_ACP（Accelerator Coherency Port）。毎种数据传输接口所能访问的设备和传输速率都有很大的差异。
- AXI_HP接口
AXI_HP接口为PL总线主机提供DDR和片上内存的高带宽数据传输路径。每个高速接口都包含两个FIFO缓冲区，用于读写通信流。PL到内存互连将高速AXI_HP端口和到两个DDR内存端口或OCM进行连接。AXI_HP接口也被引用为AFI (AXI FIFO接口)，以强调它们的缓冲能力。
- AXI_GP接口
AXI通用传输接口，数据总线宽度为32-bit，主端口的事务传输能力为8个读端口和8个写端口。AXI_GP接口仅用于通用目的，并不用于实现高性能。
- AXI_ACP接口
AXI加速器一致性端口提供低延迟访问可编程逻辑主机，L1和L2缓存可以和的一致性端口相连接。
表4.1总结了PS和PL各种接口的理论带宽和数量等信息。
表4.2 PS和 PL各种接口特性
Table 4.2 PS and PL various interface features
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接口 |
类型 |
接口数量 |
接口宽度 /Bits |
接口时钟 /（MHz） |
读带宽 （MB/s） |
写带宽 （MB/s） |
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AXI_GP AXI_GP AXI_HP AXI_ACP DDR OCM |
主接口 从接口 从接口 从接口 外部储存 内部储存 |
2 2 4 1 1 1 |
32 32 64 64 32 64 |
150 150 15 150 1066 222 |
600 600 1200 1200 4264 1779 |
600 600 1200 1200 4264 177 |