《深入理解AXI4协议：从入门到实践》 -- 第七篇：AXI4-Lite与AXI4-Stream

第七篇：AXI4-Lite与AXI4-Stream

AXI4协议针对不同场景提供了两个关键子协议： AXI4-Lite （轻量级控制）和 AXI4-Stream （流式数据传输）。本篇将深入对比它们的特性、接口设计及应用场景，帮助读者灵活选择适配方案。

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1. AXI4-Lite：轻量级控制接口

AXI4-Lite是AXI4的简化版本，专为低复杂度、低带宽的寄存器或控制接口设计。

1.1 核心特性

• 单次传输 ：
  不支持突发传输（AxLEN=1），每次事务仅传输1拍数据。
  地址必须按数据宽度对齐（如32位数据对应地址末2位为0）。
• 信号精简 ：
  移除 AxLEN、AxBURST、AxCACHE等复杂信号。
  仅保留基础控制信号（AxADDR、AxVALID、AxREADY等）。
• 资源占用低 ：
  逻辑复杂度较AXI4减少50%以上，适合FPGA资源受限场景。

1.2 接口信号

AXI4-Lite接口信号与AXI4对比（以写通道为例）：

信号	AXI4	AXI4-Lite	说明
AWADDR	✓	✓	写地址
AWLEN	✓	✗	突发长度（AXI4-Lite固定为1）
AWSIZE	✓	✗	数据宽度（由总线宽度隐式定义）
WSTRB	✓	✓	字节使能
BVALID/BREADY	✓	✓	写响应通道

1.3 典型应用场景

• 外设寄存器配置 ：
  通过AXI4-Lite访问GPIO、UART、SPI等外设的控制寄存器。
• 低带宽控制接口 ：
  传感器校准参数写入、状态寄存器读取。
• 硬件加速器控制 ：
  启动/停止命令、工作模式配置。

示例操作 （32位寄存器写入）：

verilog

// 写入地址0x1000，数据0x12345678  
assign AWADDR  = 32'h1000;  
assign WDATA   = 32'h12345678;  
assign AWVALID = 1'b1;  
assign WVALID  = 1'b1;  
assign WSTRB   = 4'b1111;  // 4字节使能  
// 等待AWREADY和WREADY握手  

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2. AXI4-Stream：无地址流式传输

AXI4-Stream专为高吞吐量、无地址的连续数据流设计，适用于实时数据传输。

2.1 核心特性

• 无地址机制 ：
  数据按顺序连续传输，无需指定目标地址。
  接收端通过 TLAST标记数据包边界。
• 极简接口 ：
  仅包含数据通道（无地址、响应通道）。
  支持背压机制（通过 TVALID/TREADY握手）。
• 高实时性 ：
  数据流“即到即传”，无地址解析延迟。

2.2 接口信号

AXI4-Stream核心信号：

信号	方向	描述
TVALID	主→从	发送端数据有效
TREADY	从→主	接收端准备好接收数据
TDATA[N:0]	主→从	传输的数据（位宽可配置）
TLAST	主→从	标记数据包最后一拍
TKEEP[N/8-1:0]	主→从	字节使能（可选）
TUSER[M:0]	主→从	用户自定义附加信息（可选）

2.3 传输时序

• 基本握手规则 ：
  发送端在 TVALID=1时保持数据稳定，直到 TREADY=1完成传输。
  TLAST=1表示当前拍是数据包的结尾。

2.4 典型应用场景

• 视频流处理 ：
  摄像头数据通过AXI4-Stream传输到ISP（图像信号处理器）。
• 高速数据采集 ：
  ADC采样数据实时传输至FPGA处理模块。
• DMA传输 ：
  DMA控制器将内存数据以流形式推送至外设（如以太网MAC）。

示例操作 （视频行数据传输）：

**verilog**

// 传输一行1920像素的RGB数据（每像素32位）
// 传输一行1920像素的RGB数据（每像素32位）  
for (int i=0; i<1920; i++) begin  
  assign TDATA  = rgb_data[i];  
  assign TVALID = 1'b1;  
  assign TLAST  = (i == 1919) ? 1'b1 : 1'b0;  
  wait (TREADY);  // 等待接收端准备  
end  
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3. AXI4-Lite与AXI4-Stream对比

特性	AXI4	AXI4-Lite	AXI4-Stream
传输类型	地址映射读写	单次寄存器读写	无地址连续流
突发传输	支持（1~256）	不支持（固定1拍）	无地址，持续流
通道数量	5个独立通道	5个（简化版）	1个数据通道
吞吐量	高	低	极高
典型应用	内存控制器	外设寄存器	视频/传感器数据流

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4. 混合系统设计案例

4.1 视频处理系统

• AXI4-Stream ：
  摄像头输入 → 图像预处理模块 → HDMI输出。
• AXI4-Lite ：
  CPU通过AXI4-Lite配置预处理参数（如对比度、亮度）。
• AXI4 ：
  帧缓冲区通过AXI4接口连接DDR内存。

4.2 数据采集与控制系统

• AXI4-Stream ：
  ADC采集数据流 → FPGA滤波模块 → 实时显示。
• AXI4-Lite ：
  CPU通过AXI4-Lite配置ADC采样率、滤波系数。

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5. 设计注意事项

5.1 AXI4-Lite的地址对齐

若主设备发送未对齐地址，从设备需返回 SLVERR（或忽略未对齐位）。

5.2 AXI4-Stream的流控

接收端需及时置 TREADY=1，避免数据丢失。若接收缓冲满，可暂停握手。

5.3 协议转换桥接

• AXI4-Stream转AXI4 ：
  添加地址生成逻辑，将数据流写入内存（如DMA控制器）。
• AXI4转AXI4-Stream ：
  从内存读取数据并转换为流格式（如视频帧读取）。

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6. 总结

AXI4-Lite ：轻量化控制接口，适合寄存器访问。
AXI4-Stream ：高效流式传输，专为实时数据设计。

附录：协议转换代码片段

AXI4-Stream转AXI4写传输（Verilog片段） ：

verilog

// 状态机控制流数据写入内存  
always @(posedge ACLK) begin  
  case (state)  
    IDLE:  
      if (TVALID && TREADY) begin  
        AWADDR  <= target_addr;  
        WDATA   <= TDATA;  
        AWVALID <= 1'b1;  
        WVALID  <= 1'b1;  
        state   <= SEND_ADDR_DATA;  
      end  
    SEND_ADDR_DATA:  
      if (AWREADY && WREADY) begin  
        AWVALID <= 1'b0;  
        WVALID  <= 1'b0;  
        target_addr <= target_addr + 4;  // 32位数据，地址递增4  
        state   <= IDLE;  
      end  
  endcase  
end