目的

AXIを理解する
AXIを説明できるようになる
AXIを用いて設計できるようになる

対象

FPGAを勉強し始めた初心者の方

目次

AXIの概要
- AXIとは
- AXI4の3つの仕様
- AXIを理解するコツ
- AXI4の基本プロトコル
AXI4-Stream
- AXI4-Streamを理解する
AXI4-Lite
- AXI4-Liteを理解する
AXI4
- AXI4を理解する

AXIの概要

AXIとは

AXI（Advanced eXtensible Interface）は、主にシステムオンチップ（SoC）設計で使用される高性能な通信インターフェースです。ARM社が開発したAMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）仕様の一部として誕生し、初期のAXI（AXI3）は2003年に導入され、その後2010年にAXI4へと進化しました。
AXI4の仕様は、ARMウェブサイトから入手できます。

AXI4の3つの仕様

AXI4 :　アドレスを使って、バースト機能も備え、マスターからスレーブへデータを送るフルスペックなプロトコル
AXI4_Lite :　アドレスを使って、マスターからスレーブへデータを送る低速だが軽量なプロトコル
AXI4_Stream ：アドレスを使わず、マスターからスレーブへデータを送る高速かつ軽量なプロトコル

特徴	AXI4	AXI4-Lite	AXI4-Stream	説明
バースト転送	〇	×	×	複数のデータを一度に連続して転送できる機能
独立した読み取り/書き込み	〇	〇	×	読み取りと書き込みが別々のチャンネルで同時に行える機能
データストリーム転送	×	×	〇	連続したデータ（例えばビデオや音声）を効率よく転送できる機能
アドレスフェーズ	〇	〇	×	データ転送前に転送先のアドレスを指定する手順
データフェーズ	〇	〇	〇	実際にデータを転送する手順
フロー制御	〇	〇	〇	データの送受信のタイミングを調整してデータの衝突を防ぐ機能
主な用途	高性能データ転送	シンプルな制御レジスタ	連続データストリーム	どのような用途に適しているか
設計の難易度	難	中	易	実装や設計の難易度

AXIを理解するためのコツ

AXI（Advanced eXtensible Interface）を理解するためには、以下の2つのポイントを押さえることが重要です：

マスターとスレーブの役割を理解する
信号の意味を理解する

1. マスターとスレーブの役割を理解する

AXIインターフェースでは、デバイス間の通信を行うために「マスター」と「スレーブ」が存在します。

マスター（Master）：

役割：データ転送の主導権を持ち、読み取りや書き込みの要求を行うデバイスです。
例：CPU、DMAコントローラなど。

スレーブ（Slave）：

役割：マスターからの要求に応じてデータを提供したり、受け取ったりするデバイスです。
例：メモリ、ペリフェラル（周辺機器）など。

マスターとスレーブの関係を理解することで、どのデバイスがどのような役割を果たしているか、どのように通信が行われているかを把握しやすくなります。

2. 信号の意味を理解する

AXIインターフェースでは、多くの信号が使用されますが、以下の主要な信号を理解することが重要です。

読み取りチャンネル（Read Channel）

AR (Address Read)：
- araddr：読み取りアドレス。
- arvalid：読み取りアドレスが有効であることを示す。
- arready：スレーブが読み取りアドレスを受け取れる状態であることを示す。
R (Read Data)：
- rdata：読み取りデータ。
- rvalid：読み取りデータが有効であることを示す。
- rready：マスターが読み取りデータを受け取れる状態であることを示す。

書き込みチャンネル（Write Channel）

AW (Address Write)：
- awaddr：書き込みアドレス。
- awvalid：書き込みアドレスが有効であることを示す。
- awready：スレーブが書き込みアドレスを受け取れる状態であることを示す。
W (Write Data)：
- wdata：書き込みデータ。
- wvalid：書き込みデータが有効であることを示す。
- wready：スレーブが書き込みデータを受け取れる状態であることを示す。
B (Write Response)：
- bresp：書き込み応答（成功、エラーなど）。
- bvalid：書き込み応答が有効であることを示す。
- bready：マスターが書き込み応答を受け取れる状態であることを示す。

AXI4の基本プロトコル（ハンドシェイク）

AXI4プロトコルには、データ転送のタイミングに基づいて3つのパターンがあります。それぞれのパターンについて説明します。

1. Valid先行型

説明

このパターンでは、マスターが先にTVALID信号をアサートし、その後スレーブがTREADY信号をアサートすることでデータ転送が行われます。

特徴

マスターがデータを準備できたことを示すために、TVALIDを先にアサートします。
スレーブがデータを受け取る準備ができると、TREADYをアサートします。
両方の信号がアサートされた時点でデータ転送が行われます。

2. Ready先行型

説明

このパターンでは、スレーブが先にTREADY信号をアサートし、その後マスターがTVALID信号をアサートすることでデータ転送が行われます。

特徴

スレーブがデータを受け取る準備ができたことを示すために、TREADYを先にアサートします。
マスターがデータを準備できると、TVALIDをアサートします。
両方の信号がアサートされた時点でデータ転送が行われます。

3. Valid/Ready同時型

説明

このパターンでは、マスターとスレーブが同時にTVALIDおよびTREADY信号をアサートし、データ転送が行われます。

特徴

マスターとスレーブが同時にデータの送受信の準備ができている場合に用いられます。
両方の信号が同時にアサートされることで、効率的なデータ転送が可能となります。

まとめ

AXIインターフェースを理解するためのコツは以下の通りです：

マスターとスレーブの役割を理解する：どのデバイスがデータ転送を主導し、どのデバイスがそれに応答するのかを把握する。
信号の意味を理解する：各信号の役割とその流れを理解することで、AXIバスの動作を把握する。

これらのポイントを押さえることで、AXIインターフェースの仕組みをより深く理解できるようになります。

AXI4-Stream

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AXI4-Lite

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AXI4

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