AXI4写时序在AXI Block RAM (BRAM) IP核中的应用

在本文中将展示描述了AXI从设备（slave）AXI BRAM Controller IP核与Xilinx AXI Interconnect之间的写时序关系。

1 Single Write

图1是一个关于32位宽度的BRAM（Block RAM）的单次写入操作的例子。这个例子展示了如何向地址0x1000h的BRAM写入数据，其中C_S_AXI_BASEADDR被设置为0xA000 0000，并且C_S_AXI_HIGHADDR允许超过4k的可寻址BRAM空间。

图1 AXI单次写事务时序图

在AXI BRAM Controller的操作中，有几个关键点需要注意：

（1）AWREADY信号

AXI BRAM Controller通常会在总线上保持AWREADY信号断言（即置高），以便在S_AXI_AWVALID和S_AXI_AWREADY信号都被断言的时钟周期内捕获地址。一旦写地址流水线（通常有两个深度）满了，从设备（slave）AXI BRAM Controller就会否定（即置低）AWREADY信号。

（2）写数据通道

同样的原则也适用于写数据通道。当数据正在写入块RAM的流水线满时，AXI BRAM Controller会否定WREADY信号。这种情况可能在AXI BRAM Controller正在处理先前的burst写数据操作时发生。

（3）ECC（Error Correction Code）

当在全数据宽度的BRAM写传输中启用ECC时，事务的时序与C_ECC = 0（即ECC被禁用）时相同。这是因为ECC的处理通常在内部进行，对外部接口的时序影响很小或没有影响。ECC通常用于检测和纠正数据在传输或存储过程中可能出现的错误。

在AXI协议中，写数据通道（W通道）上的数据确实有可能在写地址通道（AW通道）上的地址信息之前到达AXI BRAM Controller。然而，在这种情况下，AXI BRAM Controller不会立即启动写事务（即它会忽略这些数据），直到写地址通道上有了有效的地址信息供AXI BRAM Controller接受。

2 Write Burst

图2展示了一个AXI写突发（burst）操作的时序示例，该操作向32位BRAM写入四个字。在地址写通道握手阶段，它传达了突发类型为INCR（递增），突发长度为4个数据传输（AWLEN = 0011b）。写突发操作利用了AXI数据总线的所有字节通道（AWSIZE = 010b）向块RAM传输数据。图3中显示的写突发操作被设置为从BRAM地址0x1000h开始，前提是C_S_AXI_BASEADDR设计参数被设置为0xA0000000，并且C_S_AXI_HIGHADDR允许的地址空间大于4k的可寻址块RAM。

图2 AXI突发写时序图

在AXI写事务中，从设备（slave）不会等待写数据通道上的WVALID信号被断言后再断言写地址通道上的AWREADY信号。这种情况可能会导致死锁条件，并且是不被允许的。AXI协议要求写地址通道（AW通道）和写数据通道（W通道）之间的握手必须正确进行，以确保数据被写入正确的地址，并且不会被错误地丢弃或覆盖。

在正常的AXI写操作中，主设备（master）首先通过AW通道发送写地址和突发信息（如突发类型和长度）。从设备在接收到这些信息并准备好接受数据后，会断言AWREADY信号。一旦AWREADY信号被断言，主设备就可以开始通过W通道发送数据。数据通过W通道传输时，主设备会断言WVALID信号，而从设备在准备好接收数据时会断言WREADY信号。只有当WVALID和WREADY信号在同一时钟周期内都被断言时，数据才会被传输。

如果从设备不等待WVALID信号被断言就断言AWREADY信号，那么主设备可能会在没有准备好发送数据的情况下开始通过W通道发送数据，这可能导致数据丢失或写入错误的地址。因此，AXI协议要求从设备必须等待WVALID信号被断言后再断言WREADY信号，以确保数据的正确传输。

3 Narrow Write Bursting

图3展示了AXI BRAM Controller支持窄突发（narrow burst）操作的示例。窄突发是指主设备以小于BRAM数据宽度的数据大小进行突发传输。如果突发类型（AWBURST）被设置为INCR（递增）或WRAP（环绕），那么每个数据节拍（data beat）在AXI总线到BRAM接口的有效数据会进行旋转。AXI BRAM Controller会处理AXI上的每个数据节拍，作为对应到块RAM的数据节拍，无论有效字节通道的大小如何。

图3 AXI 窄突发写时序

在这种情况下，AXI WSTRB（Write Strobe，写选通）信号会被转换为BRAM的写使能（write enable）信号。只有当BRAM地址遇到全地址（数据）宽度边界时，才会进行递增，这是由于进行了窄突发写入块RAM。

在图3中，以一个32位BRAM为例，AXI主设备请求的是一个半字（halfword，即16位）突发，包含4个数据节拍。AWSIZE被设置为001b，这表示每次突发传输的数据大小是半字。在这种设置下，BRAM Controller会将每个16位的数据节拍映射到BRAM的适当位置，并且只在遇到32位边界时才会递增BRAM地址。这意味着尽管突发操作是以16位为单位进行的，但BRAM地址的更新是以32位为单位的。

4 Unaligned Write Bursting

AXI BRAM Controller支持非对齐突发传输。非对齐突发传输发生在例如32位字突发大小不是从与字内存位置匹配的地址边界开始时。起始内存地址允许不是0x0h、0x4h、0x8h等。

图4所示的例子说明了一个非对齐的字突发传输，该传输包含4个数据节拍，从地址偏移量0x1002h开始（假设C_S_AXI_BASEADDR被设置为0xA000 0000，并且C_S_AXI_HIGHADDR允许超过4k的可寻址内存）。相关的时序关系如图5所示。

图4 AXI非对齐突发写传输

非对齐地址对应于写端口的BRAM_WE信号，以反映有效的字节通道。

在非对齐突发传输中，AXI BRAM Controller需要能够处理从非字边界开始的突发传输。也就是说，如果突发传输的起始地址不是字地址的整数倍（即不是0x0h、0x4h、0x8h等），那么传输的数据可能需要跨越多个内存位置。

AXI BRAM Controller通过检查每个数据节拍的字节使能（byte enable）或写选通（write strobe）信号来确定哪些字节是有效的，并将这些数据正确地写入BRAM。在写操作中，BRAM_WE信号用于指示哪些字节通道是活动的，并且应该被写入数据。

图5 AXI非对齐突发写时序

5 ECC Write Burst

图6展示了一个AXI写突发操作的两个数据节拍的时序。

由于需要执行读-修改-写序列以正确更新块RAM中的ECC（错误检查和纠正）校验位，所以存在额外的延迟。

图6 带ECC的AXI写突发

6 Write Pipeline

AXI BRAM Controller IP核支持两个活动的写操作，它可以同时接收两个写地址请求（通过写地址通道AW），但数据（通过写数据通道W）需要按照地址的顺序来传输。当写地址流水线已满时，控制器会通过否定AWREADY信号来通知总线。只有当第一个流水线操作完成后，新的写传输才可以发生（这通过AWREADY信号的断言来指示）。

AXI BRAM Controller不支持写数据的交织。在写数据通道上的数据必须与写地址通道上呈现的地址（对于该数据）顺序相同。

写数据通道通过断言WREADY信号来响应写传输。当写数据通道没有因前一个事务而忙碌时，AXI BRAM Controller会接受数据。它还支持在AWVALID和AWREADY之前提前断言WREADY到WVALID，以便在地址验证之前就开始准备接收数据。

当写地址（通过写地址通道AW）有效并被AXI BRAM Controller接收时，Controller可以在同一个时钟周期内从写数据通道（W）接收数据。写地址和相应的写数据可以在连续的时钟周期内几乎同时到达，只要Controller准备好（通过WREADY信号指示）并且遵循AXI协议的时序要求。

WREADY信号是AXI BRAM Controller中用于指示接收端何时准备好接收写数据的一个信号。当WREADY被断言（即设置为高电平或逻辑真）时，发送端（如AXI Interconnect或其他AXI主设备）知道它可以在下一个时钟周期发送写数据（通过WVALID信号和WDATA总线）。

AXI BRAM Controller确保BREADY信号（用于指示接收端准备好接收从BRAM读取的数据）不会在WVALID和WREADY之前被断言。这是为了确保在数据被写入BRAM之前，任何潜在的读取操作都不会开始。这有助于防止数据冲突和不一致，并确保系统的正确性和可靠性。

图7展示了AXI BRAM Controller中写地址的流水线能力。这个示例说明了AXI BRAM Controller从AXI Interconnect看到写数据通道上的间隙时的情况。