SoC设计中总线协议AXI4与AXI3的主要区别详解

AXI4和AXI3是高级扩展接口（Advanced eXtensible Interface）的两个不同版本，它们都是用于SoC（System on Chip）设计中的总线协议，用于处理器和其它外设之间的高速数据传输。以下是它们之间的一些主要区别：

1.AXI4加大Burst Length

AXI3最大突发长度（Burst Length）是16 beats，其AxLEN信号位宽为4位。

AXI4扩展了对突发长度的支持，最大可以达到256 beats，AxLEN信号位宽增加到8位。注意，这种扩展主要是针对INCR（Incrementing）突发类型，而WRAP和FIXED突发类型的最大长度仍然限制在16 beats，并且CPU的突发一般不会超过16拍，突发太长会一直占用总线，而且一旦开始突发传输是不能取消的，只能等突发传输完成。

注意，大型SoC系统中，AXI4和AXI3往往混用，如果总线从AXI4转为AXI3实len直接从[7:0]截位为[3:0]，则需要控制源头激励，len不能大于15。否则会无响应进而挂死，推荐使用协议桥来完成转换。

2. AXI4新增QoS

AXI4引入了新的信号来支持服务质量（QoS），例如4bit的AWQOS和4bit的ARQOS信号，这些信号允许系统根据事务的重要性分配不同的服务级别。主要针对不同写/读事务的优先级，如果不使用，建议设置为default value 4'b0000。

AXI4协议没有规定QoS的用法，一般由具体SoC架构特性决定，协议中希望互联组件中有可配置寄存器，在传输中可以修改Qos信号值。一般尽量在系统级统一规划QoS，并且设置为可编程QoS。QoS值越大，优先级越高，当然也有AxQoS越低，优先级越高的SoC。

3.AXI4取消锁定事务

AXI4去除了对锁定事务的支持，这是为了提高协议的简洁性。在AXI3中，锁定事务允许一个主设备锁定对从设备的访问，直到它完成其事务。AXI4中，AxLOCK信号从2位减少到了1位，不再支持Locked access，只支持Normal access、Exclusive access。请问，Locked access和Exclusive access区别是啥？

请问，什么是locked access？

答：a locked sequence of transcations forces the interconnect to reject access to subordinate from any orther manager。即强制interconnect 拒绝其他master访问subordinate（slave）。

如上图，当M0发起locked access的时候，必须确保没有在途的transaction，之前的transaction必须完成。然后M0使用AxLOCK发起locked transaction，然后interconnect通过内部仲裁器确保只有M0能访问到subordinate，任何其他的manager（M1）访问Sub都会被Blocked，直到M0发起一个非locked transaction表示locked sequence完成。

因此，Locked access作用的对象是总线，而Exclusive access 作用的对象是对应的Slave。现在SoC系统都非常复杂，Master也非常多，某一个Master lock住总线导致其他master不能使用总线对系统的性能影响太大，AXI4就取消Lock机制了。而Exclusive access机制实现在Slave模块里，支持Exclusive access机制的slave会实现一个Exclusive access Monitor。

什么是Exclusive access Monitor？

当M0发起一次独占访问读操作后，subordinate中的monitor会有如下可能响应。

EXOKAY：读操作已经执行，独占访问成功，并且事务ID已经记录下，memory range和manager已经记录下。

OKAY：读操作已经执行，但是subordinate不支持独占访问，独占访问错误。

如果当M0接受到EXOKAY的响应，那么M0可以尝试完成exclusive sequence，即进行一次独占写，这次独占写需要有相同的事务ID以及相同的地址范围。接下来可能接受到来自subordinate的响应为：

EXOKAY：没有其他manager对先去读事务的地址范围进行写操作，所以M0的独占写事务成功，在这种情况下，独占写事务更新了memory。

OKAY：有别的manager，例如M1，在M0发起写事务之前已经对独占地址范围进行了写操作，独占写失败。

要实现exclusive access，需要每个transaction ID都记录一个地址，用来标记不同序列的独占访问地址。举个例子，如下图：

当manager发起两笔独占访问，第一笔独占访问transaction ID是0，第二笔是1，对相同的独占访问地址进行读操作，subordinate都会给出EXOKAY的响应，因为该subordinate支持独占访问操作，并且读操作成功执行。

然后manager发送一笔写事务，transaction ID是0，然后subordinate检查该笔transaction ID是否记录在monitor中，检查后发现该地址被记录在monitor的table中，因此独占访问写操作成功，返回EXOKAY响应，同时由于地址0xA000已经被写入修改了，monitor将所有地址为0xA000的独占记录移除。

然后manager再次发送一笔写事务，transaction ID为1，此时monitor再次检查内部的独占记录发现没有独占记录，因为在上一个exclusive sequence已经清除掉所有地址为0xA000的独占记录了，因此独占写事务失败，返回OKAY，并且内存中的数据不会更新，也就是data 0x4并不会写入到地址中。

这个例子演示了独占访问如何实现非阻塞行为。与LOCK访问相比，提供了更大的系统吞吐量。

4.AXI4S升级AxCACHE

AXI4中AWCACHE和ARCACHE信号的含义发生了变化，以适应ARM CPU架构的发展和对内存属性更复杂的定义。

在AXI3中，4bit数据分别是buffer、cache、read allocate、write allocate。

bufferable用在写操作中，表示可以由一个中间节点来返回response信号。Normally, the Bufferable attribute is only relevant to writes.

cacheable在读操作中，表示可以prefetch一些数据，在写操作中，表示可以将不同的write merged together。RA针对读操作。WA针对写操作。只有在cacheable有效的情况下，这两个bit才有效。在AXI4中，cache bit改名为modefiable，RA,WA的概念被更新，将不用的allocate bit改为other allocate。

AXI3 中AWCACHE[3:0] 和ARCACHE[3:0]的含义如下图所示：

AXI3中cache=0，对数据不做处理。cache=1，矩阵会对读写数据进行合并或拆分处理。一般是矩阵的downsize/upsize对数据进行处理。cache[0]，Bufferable，一般针对写操作，表示interconnect，或者其他类似component，可以先返回resp，之后再写向final distination。cache[1]，1）与RA,WA配合，控制cache。2）表示transaction的属性，可以在中间被更改。对写操作，表示数据可以被merge。对于读操作，表示地址可以被prefetch。

AXI4中AWCACHE[3:0] 和ARCACHE[3:0]的含义如下图所示（括号内的是AXI3的编号）：

5. AXI4升级写响应（Write Response Channel）

AXI4规定了更严格的写响应条件，必须等到地址通路和数据通路都准备好，并且明确了要等WLAST信号后，从设备才能发出BVALID进行写响应，这保证了事务真正完成时才发送响应。也就是说AXI4必须等到AWVALID,AWREADY,WVALID, WREADY, and WLAST 都为高后，SLAVE才能发BVALID进行写响应，进一步避免了deadlock。

AXI3则是等到了WVALID和WREADY后就能把BVALID置高来响应，也就是说只要slave接收了W通道所有写数据（WLAST拉起）就可以B通道响应，没管地址通道，SLAVE就可以发写响应。显然AXI4更严谨。

6.AXI4升级AxUSER

在AXI3中，USER信号没有具体规定，而在AXI4中，USER信号的位宽和用法被进一步定义和标准化，以支持更广泛的应用。考虑到IP的兼容性问题，IP厂商一般不用USER信号，其主要还是应用在SoC内部。AXI4的USER信号规定如下：

AXI4在写控制通道、写数据通道、写反馈通道和读控制通道中引入了额外的用户自定义信号，如AWUSER、WUSER、BUSER、ARUSER和RUSER，以支持更广泛的应用场景。考虑到IP的兼容性问题，IP厂商一般不用USER信号，其主要还是应用在SoC内部。

7.AXI4取消WID

AXI4取消WID，写通道不再支持write data interleave功能，虽然AXI3支持Write interleaving，但是大家在设计的时候，master基本都没支持Write interleaving，因为写数据一般都是in order有序发送的。这样可以减少pin count，减少设计复杂度。

8.AXI4新增AxREGION

相比AXI3，AXI4增加了2个4bit AxREGION信号，4bit可以表示16个region。主要作用是简化slave中的address decode，由interconnect在做address decode时产生，同样必须在4k范围内。AxREGION是可选的功能，一般用的较少。

总结，AXI4和AXI3在互联时需要注意信号的兼容性，例如AWID、AxLOCK、AxLEN等信号的处理方式有所不同。

审核编辑：刘清