AXI-Lite 源码分析
对于使用AXI总线，最开始肯定要了解顶层接口定义，这样才能针对顶层接口进行调用和例化，打开axi_lite_v1_0.v文件，第一段就是顶层的接口定义：
代码4‑1 axi_lite接口定义
1. // Ports of Axi Slave Bus Interface S00_AXI 2.input wire s00_axi_aclk, 3.input wire s00_axi_aresetn, 4.input wire [C_S00_AXI_ADDR_WIDTH-1 : 0] s00_axi_awaddr, 5.input wire [2 : 0] s00_axi_awprot, 6.input wire s00_axi_awvalid, 7.output wire s00_axi_awready, 8.input wire [C_S00_AXI_DATA_WIDTH-1 : 0] s00_axi_wdata, 9.input wire [(C_S00_AXI_DATA_WIDTH/8)-1 : 0] s00_axi_wstrb, 10.input wire s00_axi_wvalid, 11.output wire s00_axi_wready, 12.output wire [1 : 0] s00_axi_bresp, 13.output wire s00_axi_bvalid, 14.input wire s00_axi_bready, 15.input wire [C_S00_AXI_ADDR_WIDTH-1 : 0] s00_axi_araddr, 16.input wire [2 : 0] s00_axi_arprot, 17.input wire s00_axi_arvalid, 18.output wire s00_axi_arready, 19.output wire [C_S00_AXI_DATA_WIDTH-1 : 0] s00_axi_rdata, 20.output wire [1 : 0] s00_axi_rresp, 21.output wire s00_axi_rvalid, 22.input wire s00_axi_rready |
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上诉接口定义可以简单分成以下几类：
读通道 | 地址通道 | 数据通道 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
ARVALID | 读地址有效。此信号表明该信道此时能有效读出地址和控制信息 | RVALID | 读数据有效。此信号表明该信道此时能有效读出数据 | ||||
ARADDR | 读地址 | RDATA | 读数据 | ||||
ARREADY | 读地址准备好了。该信号指示从器件准备好接受一个地址和相关联的控制信号 | RREADY | 读数据准备好了。该信号指示从器件准备好接收数据 | ||||
ARPROT | 保护类型。这个信号表示该事务的特权和安全级别，并确定是否该事务是一个数据存取或指令的访问 | RRESP | 读取响应。这个信号表明读事务处理的状态。 | ||||
写 通 道 | 地址通道 | 数据通道 | 应答通道 | ||||
AWVALID | 写地址有效。这个信号表示该主信令有效的写地址和控制信息。 | WVALID | 写有效。这个信号表示有效的写数据和选通 信 号 都 可用。 | BVALID | 写响应有效。此信号表明写命令的有效写入响应。 | ||
AWADDR | 写地址 | WDATA | 写数据 | BREADY | 响应准备。该信号指示在主主机可以接受一个响应信号 | ||
AWREADY | 写地址准备好了。该信号指示从器件准备好接受一个地址和相关联的控制信号 | WSTRB | 写选通。这个信号表明该字节通道持有效数据。每一bit对应 WDATA一个字节 | BRESP | 写响应。这个信号表示写事务处理的状态。 | ||
AWPROT | 写通道保护类型。这个信号表示该事务的特权和安全级别，并确定是否该事务是一个数据存取或指令的访问 | WREADY | 写准备好了。该信号指示从器件可以接受 | ||||
AXI_Lite代码其实相对来说比较简单，主要包括写数据和读数据两部分，先来看看写数据（WDATA）部分代码：
代码4‑2 AXI_Lite写数据代码
1. // Implement memory mapped register select and write logic generation 2.// The write data is accepted and written to memory mapped registers when 3.// axi_awready, S_AXI_WVALID, axi_wready and S_AXI_WVALID are asserted. Write strobes are used to 4.// select byte enables of slave registers while writing. 5.// These registers are cleared when reset (active low) is applied. 6.// Slave register write enable is asserted when valid address and data are available 7.// and the slave is ready to accept the write address and write data. 8.assign slv_reg_wren = axi_wready && S_AXI_WVALID && axi_awready && S_AXI_AWVALID; 9. //锁存S_AXI_WDATA信号的条件为：10. //两个ready 两个valid11. //axi_wready , 输出信号， 从设备可以接受写数据12. //S_AXI_WVALID, 输入信号，主设备写数据有效13. //axi_awready, 输出信号，表示从设备可以接受写地址信号14. //S_AXI_AWVALID, 输入信号，表示主设备写地址有效15.always @( posedge S_AXI_ACLK ) 16.begin 17. if ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 ) 18. begin 19. slv_reg0 <= 0; 20. slv_reg1 <= 0; 21. slv_reg2 <= 0; 22. slv_reg3 <= 0; 23. end 24. else begin 25. if (slv_reg_wren) //接受写地址和写数据使能26. begin 27. case ( axi_awaddr[ADDR_LSB OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB] ) 28.//数据存储在哪一个寄存器中取决于axi_awaddr[ADDR_LSB OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB]中的两29.位，即这两位中存储的是控制信号 30. 2'h0: 31. for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index 1 ) 32. if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin //写选通信号33. // Respective byte enables are asserted as per write strobes 34. // Slave register 0 35. slv_reg0[(byte_index*8) : 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) : 8]; 36. end 37. 2'h1: 38. for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index 1 ) 39. if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin 40. // Respective byte enables are asserted as per write strobes 41. // Slave register 1 42. slv_reg1[(byte_index*8) : 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) : 8]; 43. end 44. 2'h2: 45. for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index 1 ) 46. if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin 47. // Respective byte enables are asserted as per write strobes 48. // Slave register 2 49. slv_reg2[(byte_index*8) : 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) : 8]; 50. end 51. 2'h3: 52. for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index 1 ) 53. if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin 54. // Respective byte enables are asserted as per write strobes 55. // Slave register 3 56. slv_reg3[(byte_index*8) : 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) : 8]; 57. end 58. default : begin 59. slv_reg0 <= slv_reg0; 60. slv_reg1 <= slv_reg1; 61. slv_reg2 <= slv_reg2; 62. slv_reg3 <= slv_reg3; 63. end 64. endcase 65. end 66. end 67.end |
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这里应用到的知识点如下：
for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index 1 ) if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin // Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 1 slv_reg1[(byte_index*8) : 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) : 8]; end这是Verilog2001新加的语法：Verilog-2001向量部分选择在Verilog-1995中，可以选择向量的任一位输出，也可以选择向量的连续几位输出，不过此时连续几位的始末数值的index需要是常量。而在Verilog-2001中，可以用变量作为index，进行part select。 [base_expr : width_expr] //positive offset [base_expr -: width_expr] //negative offset 其中base_expr可以是变量，而width_expr必须是常量。 ：表示由base_expr向上增长width_expr位，-：表示由base_expr向上递减width_expr位。例如： reg [63:0] word; reg [3:0] byte_num; //a value from 0 to 7 wire [7:0] byteN = word[byte_num*8 : 8]; 如果byte_num的值为4，则word[39:32]赋值给byteN。 |
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这段程序的作用就是，当需要向AXI_Lite写数据时，模块负责将数据接收到slv_reg。而slv_reg寄存器有0~3共4个。赋值到哪个寄存器是由axi_awaddr[ADDR_LSB OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB]决定，根据宏定义
localparam integer ADDR_LSB = (C_S_AXI_DATA_WIDTH/32) 1; localparam integer OPT_MEM_ADDR_BITS = 1; |
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其实就是由axi_awaddr[3:2] （写地址中不仅包含地址，而且包含了控制位，这里的[3:2]就是控制位）决定赋值给哪个slv_reg。
在调用写函数时，如果不做地址偏移的话， axi_awaddr[3:2]的值默认是为0的，举个例子，如果我们自定义的IP的地址被映射被调用时地址映射为为0x43C00000，那么Write(0x43C00000,Value)写的就是slv_reg0的值。如果地址偏移4位，如Write(0x43C00000 4,Value) 写的就是slv_reg1的值，依次类推。分析时只关注slv_reg0（其他结构上也是一模一样的）：
for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index =byte_index 1 )if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) beginslv_reg0[(byte_index*8) : 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) : 8];end |
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其中， C_S_AXI_DATA_WIDTH的宏定义的值为32，也就是数据位宽， S_AXI_WSTRB就是写选通信号， S_AXI_WDATA就是写数据信号。
存在于for循环中的最关键的一句：
slv_reg0[(byte_index*8) : 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) : 8];
当byte_index = 0的时候这句话就等价于：
slv_reg0[7:0] <= S_AXI_WDATA[7:0];
当byte_index = 1的时候这句话就等价于：
slv_reg0[15:8] <= S_AXI_WDATA[15:8];
当byte_index = 2的时候这句话就等价于：
slv_reg0[23:16] <= S_AXI_WDATA[23:16];
当byte_index = 3的时候这句话就等价于：
slv_reg0[31:24] <= S_AXI_WDATA[31:24];
也就是说，只有当写选通信号为1时，它所对应S_AXI_WDATA的字节才会被读取。
读懂了这段话之后，我们就知道了，如果我们想得到PS端写到总线上的数据，我们只需要读取slv_reg0的值即可。
那如果，我们想写数据到总线让PS读取该数据，我们该怎么做呢？我们继续来看有关RADTA读数据代码：
读操作：
代码4‑3 读操作代码
1. // Output register or memory read data 2.always @( posedge S_AXI_ACLK ) 3.begin 4. if ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 ) 5. begin 6. axi_rdata <= 0; 7. end 8. else 9. begin 10. // When there is a valid read address (S_AXI_ARVALID) with 11. // acceptance of read address by the slave (axi_arready), 12. // output the read dada 13. if (slv_reg_rden) 14. begin 15. axi_rdata <= reg_data_out; // register read data 16. end 17. end 18.end |
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观察可知，当PS读取数据时，程序会把reg_data_out复制给axi_rdata（RADTA读数据）。继续追踪reg_data_out：
代码4‑4 reg_data_out
1. // Implement memory mapped register select and read logic generation 2. // Slave register read enable is asserted when valid address is available 3. // and the slave is ready to accept the read address. 4. assign slv_reg_rden = axi_arready & S_AXI_ARVALID & ~axi_rvalid; 5. 6. // axi_arready, 输出信号， 表示从设备可以接受读地址信号 7. // S_AXI_ARVALID 输入信号，表示读地址信号有效 8. // axi_rvalid 输出信号， 表示读取的数据有效 9. 10.// read 11. 12. always @(*) 13. begin 14. // Address decoding for reading registers 15. case ( axi_araddr[ADDR_LSB OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB] ) 16.//由给定的axi_araddr信号中的[ADDR_LSB OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB]中的两位来决定哪一个寄存器中的值来驱动reg_data_out 17. 2'h0 : reg_data_out <= slv_reg0; 18. 2'h1 : reg_data_out <= slv_reg1; 19. 2'h2 : reg_data_out <= slv_reg2; 20. 2'h3 : reg_data_out <= slv_reg3; 21. default : reg_data_out <= 0; 22. endcase 23. end |
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和前面分析的一样此时通过判断axi_awaddr[3:2]的值来判断将那个值给reg_data_out上，同样当PS调用读取函数时，这里axi_awaddr[3:2]默认是0，所以我们只需要把slv_reg0替换成我们自己数据，就可以让PS通过总线读到我们提供的数据。
这里可能有的读者会问了， slv_reg0不是总线写过来的数据吗？因为笔者说过这个程序是Vivado为我们提供的例子，它这么做无非是想验证我写出去的值和我读进入的值相等。但是他怎么写确实会对初看代码的人造成困扰。
为什么写通道要比读通道多了一列应答通道？
首先，你要知道这个应答信号是干什么用的？
在读交易中，主设备先发送ARADDR和ARVALID给从设备，从设备回发ARREADY，通知主设备该地址有效，当ARVALID和ARREADY都为高电平时，主设备发出RREADY，表示主设备准备好接受读数据和相应信号了。从设备发送RVALID、RDATA以及RRESP，当RVALID和RREADY都为高电平时，数据被写入主设备。
小结：
如果我们想读AXI4_Lite总线上的数据时（对软核或者硬核来说就是写总线数据），只需关注slv_reg的数据，我们可自行添加一段代码，如：
代码4‑5 读AXI4_Lite总线上的数据格式
1. reg [11:0]rlcd_rgb; 2.always @( posedge S_AXI_ACLK ) 3. begin 4. if ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 ) 5. begin 6. rlcd_rgb <= 12'd0; 7. end 8. else 9. begin 10. rlcd_rgb <= slv_reg0[11:0]; 11. end 12. end 13.assign lcd_rgb = rlcd_rgb; |
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如果我们想对AXI4_Lite信号写数据时，我们只需修改对reg_data_out的赋值，如：
代码4‑6 AXI4_Lite写总线测试修改
1. //写总线测试修改！！！！！！！！！ 2.wire[31:0]wlcd_xy; 3. 4.assign wlcd_xy = {10'd0,lcd_xy}; 5.assign slv_reg_rden = axi_arready & S_AXI_ARVALID & ~axi_rvalid; 6. 7.always @(*) 8. begin 9. // Address decoding for reading registers 10. case ( axi_araddr[ADDR_LSB OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB] ) 11. 12. 2'h0 : reg_data_out <= wlcd_xy;//slv_reg0; 13. 2'h1 : reg_data_out <= slv_reg1; 14. 2'h2 : reg_data_out <= slv_reg2; 15. 2'h3 : reg_data_out <= slv_reg3; 16. default : reg_data_out <= 0; 17. 18. endcase 19. end |
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最后强调下如果我们自定义的 IP 的地址被映射为 0x43C00000，那么我们 Xil_Out32(0x43C00000,Value)写的就是 slv_reg0 的值。如果地址偏移 4 位，如 Xil_Out32(0x43C00000 4,Value) 写的就是 slv_reg1 的值，依次类推。
目前这里只有 4 个寄存器，那是因为之前选择的是 4 个，其实我们可以定义的更多：
图4‑49 定义寄存器数量
ＮＯＷ现在行动！
