NVMe IP之AXI4总线分析

1AXI4总线协议

AXI4总线协议是由ARM公司提出的一种片内总线协议 ，旨在实现SOC中各模块之间的高效可靠的数据传输和管理。AXI4协议具有高性能、高吞吐量和低延迟等优点，在SOC设计中被广泛应用 。随着时间的推移，AXI4的影响不断扩大。目前，由Xilinx提供的大部分IP接口都支持AXI4总线，使得系统中不同模块之间的互连更加高效。这也让基于这些IP的开发变得更加快捷、方便和可靠。AXI4协议规定了数据传输的信号描述、通道特性和握手机制，并指定了事务的过程和属性，例如突发数据传输的数量、每次传输的字节大小、突发类型和保护类型 。

1.1 AXI4总线类型

AMBA AXI4协议规范中针对不同的应用场景，制定了三个不同类型的接口，其中包括AXI4-Full、AXI4-Lite以及AXI4-Stream。表1为三种AXI4总线的对比。

表1三种AXI4总线对比

AXI4-Full：主要用于高性能地址映射通信的需求，是面向地址映射的接口。由于读写地址通道是分离的，所以支持双向同时传输，支持突发传输、Outstanding以及乱序传输等模式，突发长度最大支持256。

AXI4-Lite：是AXI4-Full总线的简化版本，主要用于寄存器配置。与AXI4总线相似，AXI4-Lite也具有五个通道。但AXI4-Lite不支持高级功能如突发传输和乱序传输等，并且数据位宽也受到限制。由于不需要支持大多数高性能功能，AXI4-Lite所需的资源也较少。

AXI4-Stream：主要用于高速数据流数据传输。相比于其他总线协议，AXI4-Stream支持无限制的数据突发传输。相比其他总线协议，AXI4-Stream仅包含数据通道，因此在主从设备之间需要保持一对一的连接关系。这意味着在数据传输期间，通道上的所有传输都将是直接的，并且不需要等待传输控制信号。

1.2 AXI4总线架构

AXI4总线的架构包括五个独立的通道，分别是读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道和写响应通道。其中，地址通道用于携带控制消息，以描述被传输的数据属性；数据传输则使用写通道来实现Master到Slave的传输，而Slave使用写响应通道对写传输进行响应；读通道则用来实现数据从Slave到Master的传输。这些通道之间既相互分离又相互依赖。相互分离是指每个通道通过握手机制来完成单向的传输，传输源端使用VALID来表明地址/控制信号和数据有效，而目的端使用READY来表明自己能够接收信息。相互依赖则是指写回复必须在收到最后一个写数据后触发，而读数据必须在收到读地址之后开始。

写通道架构如图1所示，包括写地址、写数据和写响应三个通道。在一次写传输操作中，主机首先在地址通道上发送传输操作的地址、突发大小等信息，并将需要写入的数据放在写数据通道上等待从机接收。从机在接收到写地址通道的命令后，开始从写数据通道接收数据。当从机接收到本次写传输的最后一个数据后，在写回复通道向主句回复本次传输状态，表示传输操作结束。协议中规定写回复必须在收到最后一个写数据后触发，而读数据必须在收到读地址之后开始。在从机具有一定的缓存能力后，协议中规定写数据可在写地址操作之后发生。当缓存能力用尽时，从机会通过将READY信号拉低来暂停数据传输。

图1 NVMe写通道架构图

读通道的架构如图2所示。读通道的架构与写通道不同，只包括两个通道：读地址通道和读数据通道，没有读响应通道。这是因为在读操作中，响应信息可以通过读数据通道返回，从而节省了资源。在一次读传输操作中，主机首先通过读地址通道向从机发送传输操作的地址、突发大小等信息。从机接收到信息后，在读数据通道上将数据和响应信号一并传输给主机。

图2 NVMe读通道架构图

在一个系统中，多个主机与从机进行传输时，需要通过AXI互联IP（AXI Interconnect）来实现多对多的拓扑结构 ，如图3所示。Interconnect拥有多个 Master/Slave接口，并在内部基于轮询或者优先级策略对多路数据进行路由转发，可以实现系统内部的高效通信。

图3 多对多拓扑结构

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