AMBA AXI协议窄带传输详解（八）

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本篇主要是AMBA AXI协议窄带传输详解（八）

1. 核心概念：什么是窄带传输？

窄带传输 是指数据总线宽度大于单次传输所需数据大小时发生的传输。

简单来说，就是“杀鸡用牛刀”——你有一条很宽的数据通道（比如 128 位），但只需要传输一小部分数据（比如 8 位或 16 位）。AXI 协议通过一套精巧的机制，允许你高效、精确地利用宽数据总线进行小数据量的传输，而无需改变总线宽度或进行额外的数据重组。

2. 为什么需要窄带传输？

系统效率：现代 SoC 中，为了获得高带宽，系统总线（如连接 DRAM 控制器的总线）通常设计得很宽（64 位、128 位、256 位甚至更宽）。然而，系统中存在大量低速外设（如 UART、I2C、GPIO），它们只需要访问单个字节或字。窄带传输允许这些低速代理高效地共享宽总线。

节省面积和功耗：为每个外设提供与其数据宽度完全匹配的专用总线是不现实的。窄带传输实现了总线资源的共享和复用。

对齐访问：它使得非对齐的访问（即起始地址不是数据总线宽度整数倍的访问）能够在一个周期内完成，提高了效率。

3. 实现窄带传输的关键机制

AXI 协议通过以下三个信号的协同工作来实现窄带传输：

a) 地址总线 (AWADDR / ARADDR) 作用：确定本次传输在数据总线上的起始位置。  地址指定了传输的字节地址。数据总线上的哪几个字节通道（Byte Lane）参与本次传输，由地址的低位和传输大小共同决定。

b) 传输大小 (AWSIZE / ARSIZE) 作用：定义单次传输中数据的字节数（1, 2, 4, 8, … 字节）。  它决定了本次“窄带”到底有多“窄”。例如，SIZE = 0b010 表示本次传输 4 个字节。

c) 字节选通信号 (WSTRB) 作用：这是实现窄带传输最核心的信号。它是一个位宽与 WDATA 总线字节数相等的信号，每一位对应 WDATA 的一个字节。  WSTRB[n] 为 1：表示 WDATA[(8*n)+7 : (8*n)] 这个字节通道上的数据是有效的，需要被写入。  WSTRB[n] 为 0：表示对应的字节通道上的数据是无效的，从机应忽略它。  在读取传输中，主机不需要提供选通信号，从机会根据地址和 SIZE 返回有效数据，主机从宽数据中提取所需部分。

4. 工作机制详解（以写操作为例）

假设一个系统：  数据总线宽度：WDATA = 32 位（4 个字节通道，索引为 [3], [2], [1], [0]）。  传输请求：向地址 0x1001 写入 2 个字节的数据（SIZE = 1）。

步骤分析：

地址解析：地址 0x1001 的二进制低 2 位是 01。这表示传输从第 1 个字节通道（索引 [1]）开始。

确定活跃通道：因为 SIZE=1（2 字节），所以需要占用连续的 2 个字节通道。起始通道是 [1]，所以活跃通道是 [2] 和 [1]。

设置字节选通：主机将 WSTRB[2] 和 WSTRB[1] 置为 1，其余 (WSTRB[3] 和 WSTRB[0]) 置为 0。

放置数据：主机将待传输的 2 字节数据，分别放置到 WDATA[23:16]（对应通道 [2]）和 WDATA[15:8]（对应通道 [1]）上。WDATA 的其他位可以是任意值（“无关项”）。

从机响应：从机看到 WSTRB 后，只更新地址 0x1001 和 0x1002 对应的字节（通道 [1] 和 [2]），忽略通道 [0] 和 [3] 的数据。

5. 读取传输的特点

对于读操作，主机同样通过 ARADDR 和 ARSIZE 发起一个窄带读请求。从机必须根据这些信息，将正确的数据放在 RDATA 总线的相应字节通道上返回。

协议规定，从机可以将有效数据放置在正确的字节通道上，而其他通道返回任意值。

更常见且高效的做法是，从机（尤其是存储器控制器）总是返回完整宽度的对齐数据（例如，总是返回整个 32 位字），然后由主机内部的互联组件或主机本身，根据原始的地址和 SIZE，从宽数据中提取（切片）出所需的窄带数据，交给发出请求的主机。

6. 优势总结

灵活性：允许不同数据宽度的主从设备无缝通信。

高效率：避免了为小数据量访问而多次切分总线事务，减少了延迟和总线占用。

支持非对齐访问：通过结合起始地址和选通信号，单次传输即可完成非对齐的数据访问，而无需拆分成两次对齐访问。

降低功耗：无效的字节通道可以被关闭（通过 WSTRB=0 或从机忽略部分读数据），减少了不必要的电路翻转，节省了动态功耗。

总而言之

窄带传输是 AXI 协议高效性和实用性的关键体现。它通过 WSTRB 等精妙的设计，解决了宽总线系统中小数据量、非对齐访问的核心难题，是复杂 SoC 能够高效运转的重要基石。

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