AXI 总线学习 (4) - 传输特性

在 AXI4 协议中，为了适应现代 SoC 中复杂且高效的数据传输需求，除了基本的握手机制和通道定义外，还引入了一系列高级传输特性，如突发传输（Burst）、超前传输（Outstanding）、乱序响应（Out-of-Order）、通道交织（Interleaving）、窄传输（Narrow）以及非对齐传输（Unaligned）。本文将介绍这些 AXI4 传输特性。

1. Burst

AXI4 支持突发传输（Burst），进行一次地址握手之后可以进行多次数据传输，从而减少总线开销、提高带宽利用率。更具体地说，在 Burst 读操作中，Manager 只需要发送一个读起始地址，Subordinate 就根据这个起始地址与定义的地址增长规则自动进行地址计算，将对应的数据发送给 Manager。类似地，在 Burst 写操作中，Manager 只需要发送一个写起始地址，Subordinate 根据传输的长度将数据传输到对应的缓存中。因此，只需要在地址通道中进行一次握手就可以完成连续的数据传输，避免了系统总线的占用。

在 AXI4 协议中，可以在通道中传输 ARBURST 和 AWBURST 信号来指定 Burst 的地址增长类型：

地址固定（FIXED，AxBURST=0b00）：会多次访问从设备中相同地址的数据，常用于 FIFO 场景中。
- 每个数据的地址都是固定的。
- 一次事务中最多可以进行 16 次传输。
地址线性递增（INCR，AxBURST=0b01）：可以配置固定长度的地址递增和非固定长度的地址递增，常用于 Memory 访问的场景中。
- 每个数据的地址都是上一个数据的地址加上数据宽度。例如，若 ARSIZE （读数据宽度的对数）为 2、ARLEN （读数据个数-1）为 3，那么从设备将会返回四个地址的数据：ARADDR，ARADDR+4，ARADDR+8，ARADDR+12。
- 一次事务中的传输次数必须为 1、2、4、8 或 16。
- 不支持提前结束。
地址回绕递增（WRAP，AxBURST=0b10）：地址按照指定的数据宽度进行递增，当到达一个边界后，从初始地址开始的字节对齐位置继续递增，常用于 Cache 访问的场景中。
- 每个数据的地址都是上一个数据的地址加上数据宽度，如果达到边界，则从初始地址开始，即 \((len+1) \times 2^{size}\)。例如，若 ARSIZE （读数据宽度的对数）为 2、ARLEN （读数据个数-1）为 3、初始地址 ARADDR 为 0x000C。那么传输长度为 16，对齐地址为 0x0000，一共需要传输 4 个地址的数据：0x000C，0x0000，0x0004，0x0008。
- 初始地址必须与每次传输的大小对齐。
- 一次事务中的传输次数必须为 1、2、4、8 或 16。
- 不支持提前结束。

优点：提升单个事务传输的效率，释放地址通道。

2. Outstanding

AXI4 支持多个未完成的事务同时进行超前传输（Outstanding），即 Manager 可以在一个读事务或写事务未完成时，就继续发起新的事务，减少 Manager 的等待。这是因为 AXI 通道是分离的，Manager 无需等待数据通道和响应通道中的传输完成，就可以在地址通道中进行新的事务的握手。简单而言，地址通道、数据通道与响应通道之间可以通过 Outstanding 传输模式达到流水线并行。通道中的每个事务通过 ID 信号（ARID/AWID）进行标识，Subordinate 根据自身的能力处理通道中的多个事务。

注意，在系统设计上要注意 Manager 侧的读缓存与 Subordinate 侧的写缓存大小需求，避免出现无法处理大量数据而出现的系统反压。

优点：主设备可以连续发出多个请求，而无需等待每个响应返回，提升带宽利用率。

3. Out-of-Order

AXI4 的默认响应是顺序的，但协议允许 Subordinates 进行乱序响应（Out-of-Order），只要每个事务的 ID 匹配。在一般情况下，在读事务中，返回的读数据的 RID 需与相应读地址的 ARID 一致；在写事务中，写数据的 WID 及写响应的 BID 需与相应写地址的 AWID 一致。由于有了事务的 ID 进行对照，我们就可以允许多个从设备乱序地返回事务的数据或响应。访问速度快的从设备可以提前在通道中返回数据和响应，而访问速度慢的从设备可以后续再返回，这样可以充分利用总线的带宽进行传输。

注意，如果主设备需要保证事务之间的返回顺序，则应该使用同一个 ID 进行访问，通过地址来区分不同的从设备。

优点：可以匹配不同速度的从设备，充分利用带宽。

4. Interleaving

AXI4 允许同一 Manager 与 Subordinate 之间的多个突发事务在数据层面进行交织传输（Interleave），只要它们使用不同的 ID。在一个 Burst 传输未完成时，可以插入另一个 ID 的 Burst，有效避免总线空转。

注意，同一 ID 之内的数据还是顺序返回的。是否支持读交织只与从设备的设计有关。个人理解，乱序响应与交织传输的区别是，它们分别是事务（Transaction）层面的乱序与传输（Transfer）层面的乱序。

优点：减少事务内传输的空闲等待，能更细粒度地利用带宽进行传输。

5. Narrow

AXI4 支持所谓的 Narrow transfers，即 Manager 访问的数据宽度小于 Subordinate 返回的数据总线宽度，主要用于传输带宽有限的主设备，或是访问特定寄存器的场景。在 AXI4 协议中可以通过 strb 字段指定有效的数据传输位宽，从设备会自动根据 valid byte lanes 进行掩码处理。例如，小位宽的主设备可以变换 strb 信号来逐段写入大位宽从设备的一行。

6. Unaligned

AXI4 还支持 Unaligned transfers，即访问地址不是数据宽度的整数倍，主要用于访问内存映射 I/O 或访问小尺寸 Buffer 的场景中。为了解决地址非对齐问题，主设备必须在第一次传输中于 strb 字段里指定对应的字节有效，而后续的传输可以按照正常的传输进行。主设备给出的地址可以是非对齐的，但是其低位地址线上的信息必须与 strb 字段的信息保持一致。注意，AXI4 协议不要求 Subordinate 根据来自 Manager 的任何对齐信息采取特殊操作。