AXI4_Stream入门(2): 接口与信号

本文来自自学过程中所记的笔记，可能有不少错漏与胡言乱语，仅供参考，建议主要以ARM官方文件进行参考。原参考文档官网可下载，为了方便各位，我也上传了，需要的自取;
链接：https://pan.baidu.com/s/1voHyFmkpGqABcKH8OSF_Ng
提取码：izix

信号类型：

信号的宽度有以下几类：

n：数据总线的宽度(按byte);

i：8-bits;

d：4-bits;

u：线宽的整数倍(按byte);

握手：

TVALID与TREADY握手决定了数据传输的时间。双向传输的机制允许主机或从机都可以控制传输的速率与信息。要建立传输，TVALID与TREADY都必须被声明，双方都可以先进行声明，也可以在同一个ACLK周期内同时声明;

如果主机要进行数据传输，其不可以等待TREADY出现后再声明TVALID,当声明了TVALID后这个声明必须在TREADY的声明出现之前保持;

从机可以在等待TVALID出现之后再声明TREADY; 同时，从机也可以先声明TREADY并等待TVALID;

以下是几个例子，箭头指示的时间节点发生信息传递：

信息传输:

数据在数据流中的位置:

在一波数据流中，低阶总线传递的数据应该较早出发;

当所有数据被完全打包好(没有空包)，给定Byte在数据流中的位置如下:
1. n表示为第n byte;
2. t表示为第t次传输;
3. 数据总线宽度为w bytes;
4. INT(x)代表对x向下取整;
5. b代表byte的位置;
t = L N T ( n / w ) t = LNT(n/w) t=LNT(n/w);

b = n − t ∗ w b = n-t*w b=n−t∗w;
数据型(Byte types)详解:

Data byte: Data byte必须从信源被传输至目标地；data byte的数量，相关的TDATA数据值，数据流中数据位的相对位置都应在传输过程中保持不变;

Position byte: Position byte必须从信源被传输至目标地；Position byte的数量与数据流中数据位的相对位置都应在传输过程中保持不变;

Null byte: 不包含任何数据，也没有任何限制;

在连接传输过程中，链接不被允许对Data Byte与Position Byte的相对位置与数量进行调整。但链接传输过程中可以对空字节进行增减，以匹配更宽或更窄的总线。需要注意的是，主从机都无需支持空字节，所以在到达需要处理的位置之前，所有空字节都需要被删除;
数据合并、打包与宽度转换

在设计时，数据总线被希望可以适应不同宽度的接口。这样不同接口设计的总线可以被连接，多个设备也可以接入统一接口;

对多数应用来说，接口应该是2^N个字节的宽度，但对于协议来说，只需为整数Byte宽度即可；

所有增大与缩小操作，都需要保留所有声明过TKEEP数据的byte；如果增大或减小操作后没有足够的宽度进行输出，可以增加额外的无TKEEP声明的位数;

合并考虑: 合并指两个来自不同传输的两组数据合并为一个传输；在一个传输中存在可以被移除的空指针时，合并就有条件发生; 合并的规则如下:

a: 只有具有相匹配的TID与TDEST标识符的传输可以被合并;

b: 如果现在的传输被标注为TLAST，则其不能与后一次传输合并。也因此如果一个传输被标注为TLAST，便意味着其后没有可以合并的传输，也意味着其不应被延迟传输;

c: 必须保持位置与数据byte的正确位置；

d: 必须保持TLAST, TSTRB与TUSER的正确关系；

部分合并是被允许的；

打包考虑：打包是从数据流中删除空字节的过程，往往出现在放大、缩小与合并等操作中; 空字节无需被全部移除，所以打包前后都可能出现空字节;

缩小考虑: 缩小用于适配更窄的端口，这个过程通常伴随着单个输入/输出变为多个输入/输出；这个比例一般是2/1，但也不一定; 缩减的规则如下:

a: 输入输出顺序匹配；

b: TSTRB必须使用与data相似的方法缩小，以确保位置关系不会出现错误;

c: TLAST必须在缩减后也最后传输;

d: 输出传输的所有TID与TDEST都必须与输入的相匹配;

e: TUEST必须与相同字节匹配;

#只含空字节，没有TKEEP与TLAST字节的数据流可以被阻断;

放大考虑: 一般用于单转多。如果包含合并，放大过程将是一个很复杂的过程，因为上游难以随时确定下游数据是否来自一个paket；放大的规则如下:

a: 输入输出顺序匹配；

b: TSTRB必须使用与data相似的方法放大，以确保位置关系不会出现错误;

c: TLAST必须被保留;

d: 输出传输的所有TID与TDEST都必须与输入的相匹配;

e: TUEST必须与相同字节匹配;

字节限制符:

在AXI-4 Stream中有两个字节限制符:

TKEEP: 一个用于显示该字节是否一定要被传输至目的地的限制符;

TSTRB: 一个用于展示相关字节是位置字节还是数据字节的限制符;

每一个字节限制符都与一个byte相关：

TKEEP[x]（TSTRB[x]）与TDATA[(8x+7):8x]相关;

TKEEP限定: TKEEP被约束为0时表示其为一个空字节，反之则表示其一定要被传输至目的地。一个TKEEP全部为0的传输是合法的。除非TLAST位被约束为1，否则阻断一个全部TKEEP为0的传输是合法的; 主从机都无需支持空字节，所以在到达需要处理的位置之前，所有空字节都需要被删除;

TSTRB限定: 当TSTRB被约束为1时，代表这是一个有意义的数据字节，反之则为一个无意义的位置字节。位置字节被用于在传输中确定正确的相对位置，在信息流需要在目的地位置进行部分更新时常用。由于与位置相关的数据是无效的，所以TSTRB为LOW的时候，TADTA上的数据不被传输;

Packet边界:

Packet的解释上面已经给过了，在将信号打包时，需要考虑的信号有: TID, TDEST, TLAST; TLAST的用法如下:

a: 当其未被声明时，表示后面还会有后续传输跟进，因此为了完成增大、缩小或合并的延迟是可接受的;

b: 当其被声明时，目标地点可以将其作为packet的边界；

c: 当其被声明时，其可以作为共享链路上进行仲裁改变的有效依据；

在用于传输时，Packet的数量与TLAST的数量必须在主服务器与从服务器上保留；

虽然有结尾包，但packet的开始边界并未被定义一般判断一个包开始传输的依据有:

复位后第一次出现TID与TDSET；
一个包结束后收到的第一个有TID与TDSET的包;

所有有相同来源与目标地址的包都具有完全相同的TID与TDSET值;

两个不同的数据包不能合并，故如果早一步的传输收到了TLAST，哪怕具有完全相同的TID与TDSET值，也不能将两个字节合并传输; 若TID与TDSET不同，则不能将两个字节合并;

传输可以声明TLAST，但不包含任何数据\位置位，以用于:

当没有多余的数据需要传输时，结束包的传输;
遍历在缓存区中存储的数据;
完成一个在等待TLAST的操作;

不包含任何数据\位置位的TLAST声明，可以与只包含任何数据\位置位的字节结合;

信源与目的地信号:

信源与目的地信号有以下几种:

TID: 对流进行标记，用于区分通过一个数据接口的多个数据流;

TDEST: 为数据流提供大致的路由信息;

具有相同的TID与TDEST的数据来自同一个流，只有来自同一个数据流的数据才能被合并;

在非TLAST边界处，不同数据流的交叉是可以被允许的;

新的TID可以被生成，用于将一个数据流分成两个;

新的TDEST可以被生成，用于为数据流指明路由信息;

任何对TID和TDEST的操作都不能用于将两个数据流合成一个;

一个常见的模型是一个链接基于数据流的TID为其分配TDEST；

时钟和复位:

Clock: 每个组件都是用一个单独的时钟信号ACLK，所有输入的采样都必须在时钟的上升沿，所有输出的变化都必须在时钟的上升沿之后;

Reset: 异步复位，同步释放，active-LOW；

在复位阶段，TVALID必须被驱动为LOW，而其他信号可以随意变化；

在ARESETn解除后的第一个时钟上升沿，TVALID可以被驱动为HIGH；

用户信号:

用户使用边带接口传输一些byte，packet或给予fream的信息是一种常见的用法。用户信号有多种用法，如:

标记特殊数据项的位置与类型;
提供必须与数据伴随的辅助信息，如：奇偶校验、标志位;
识别数据包的段;

用户信号的传输以字节为单位；

按照建议，信号TUSER的位数应当与TDATA信号的Byte数成整数倍关系，每个字节所对应的用户信号必须从相邻的TUSER链路打包发送; 用户信号的定义如下:

假设每个数据Byte对应m位User Signal;
数据线的宽度为n Bytes;
User Bits的总宽度就应为 m*n
如果User Bits的数量小于这个值，则会将其与前几位byte的总线相对应，后面的总线的User Bits会被默认为0(非协议内容，来源互联网)；

如果对应的TKEEP位为0，则TUSER位的内容也无需传输。如果对应的空字节被删除，则其TUSER位也必须删除。当空字节被插入时，对应数量的TUSER也必须被插入，后插入的TUSER应被统一置为0；

TUSER也可以直接针对整个传输进行定义，而不是只能对单个字节。当整个传输都使用相同的某项配置时，只声明该配置一次明显好于在每次传输上都进行声明;

TUSER可以被用于对整个传输进行定义，但传输机制会基于传输机制划分TRUST信息。可信的基于传输的TUSER信息只有在满足以下条件时才成立:

连接的输入与输出接口必须相互匹配;
连接处的任何数据宽度转化都不涉及拆包；

当传输经过复杂的互联时，TUSER信号有时会经过支持不同TRUST宽度的互联部分。此时便需要填充(Padding)与修剪(Trimming)TUSER信息;

修剪和填充时，是在每一bit的前一位上进行增减。要进行填充时，填入的位数必须为0；示例如下：

按单BIT操作的PADDING

按单BIT操作的TRIMMING

按双BIT操作的PADDING

按双BIT操作的TRIMMING

设置TUSER的宽度:

对于有多个主从接口参与的互联，TUSER宽度的定义为:

MIN(MAX[主机每byte对应的TUSER的最小bit数],MAXP[从机每byte对应的TUSER的最小bit数])；

任何主从机发送的数据所对应的TUSER宽度都不能小于这个值;

TUSER的使用遵循以下守则：

主机的TUSER接口比链接接口窄，则必须增加置零的TUSER位来匹配链接;
主机的TUSER接口宽于最宽的链接接口，则必须修建接口以匹配链接；
在互联中任何比下游窄的TUSER接口，都必须补零进行连接；
在互联中任何比下游最宽的接口宽的TUSER接口，都必须进行修建以匹配链接；
在到达从机端时，如果从机接口比链接中的窄，则必须进行修剪;
在到达从机端时，如果从机接口比链接中的宽，则必须置零加宽;

如果在互联中附带了通信的主从机各自的信息，则对TUSER传输还可以进行进一步的优化;