基于FPGA 的LocalLink/AXI4-S 總線協議轉換模塊設計

張秀清，王金曉，王曉君

（河北科技大學 信息科學與工程學院，河北石家莊，050000）

0 引言

在數據通信過程中，LocalLink 和AXI4-S 是兩種不同的協議標準，LocalLink 主要應用在Xilinx 的FPGA 芯片內部，AXI4-S 是一種外部系統總線標準，兩者之間無法直接進行通信。與此同時，數字信號常常因為時序問題需要進行打拍處理，由于AXI4-S 協議太復雜，有很多通道和信號，而且valid 信號和ready 信號的傳遞方向還是相反的，直接打拍會陷入時序混亂的漩渦。本文設計了一種基于register slice 配合邏輯電路的模塊，能夠實現兩協議之間相互轉換的功能，運用register slice 實現AXI4-S 信號在master和slave 之間傳遞時打拍并解決時序問題。LocalLink 和AXI4-S 總線之間數據穩(wěn)定且高效傳輸，提高設備之間的兼容性，占用FPGA 資源較少，效率更高，降低系統成本和復雜度的同時還具備了很好的移植性[1]。

1 協議概述

LocalLink[2]協議是Xilinx FPGA 內部使用的一種片內通信協議，用于芯片內可配置邏輯之間的數據傳輸和通信。該協議是一種高性能的點對點同步傳輸協議，它能在傳輸時采用流水線方式。LocalLink 協議具有以下特征：任意字節(jié)寬度的用戶接口、任意長度的數據幀、同步點對點通信、上下游流量控制、渠道支持、高效的帶寬利用率、支持奇偶校驗和錯誤報告[3]。LocalLink 通信方式保證了芯片內各模塊間的同步性和互操作性。本協議設計簡單、硬件結構清晰且易于實現，能夠滿足高性能、低時延以及可靠性等多方面需求，成為Xilinx FPGA 內部通信的主要標準方案。

每一個LocalLink 接口由一個源接口和一個目的接口組成，可實現兩臺設備之間的全雙工操作以及數據的單向傳輸。LocalLink 接口框圖如圖1 所示。

圖1 LocalLink 接口框圖

在LocalLink 傳輸協議中，數據以幀為單位進行傳輸，一幀數據包括負載數據，幀頭和幀尾。在實際工程應用中，LocalLink 接口信號有很多，并且都是成對出現的。本設計中，采用的接口信號見表1。

表1 LocalLink接口信號表

LocalLink 接口的傳輸機制如下，當源接口檢測到目的準備好信號時，產生幀開始信號和源準備好信號，數據傳輸開始。當源接口產生幀結束信號時，目的接口驅動目的準備好信號無效，傳輸過程結束。LocalLink 接口信號時序圖如圖2 所示。

圖2 LocalLink 接口信號時序圖

AXI4-S[4]是基于流模式傳輸的高性能片內總線協議，主要用于大量流式數據的傳輸，支持多數據流使用同一數據通路，并且可以支持數據位寬的轉換[5]。使用AXI4-S 總線協議進行數據傳輸時，不需要提供數據流地址以及其他控制信息，因此AXI4-S 總線協議經常在高帶寬、低消耗以及低延遲的單向數據傳輸場景中使用。本協議設計簡單，易于實現，已成為業(yè)界廣泛采用的標準之一[6]。

在AXI4-S 總線協議中，每個數據流由一組可配置的信號描述。本設計中，采用的AXI4-S 接口信號見表2。

表2 AXI4-S接口信號表

AXI4-S 總線協議是一種雙向流控傳輸機制，收發(fā)雙方通過VALID/READY 信號控制傳輸速率。為確保數據能夠進行正確傳輸，在數據發(fā)送之前，需要確認收發(fā)雙方已經完成握手操作。當主模塊tvalid 信號和從模塊的tready 信號都有效時，表示握手操作完成，開始數據傳輸過程。AXI4-S接口信號時序如圖3 所示。

圖3 AXI4-S 傳輸時序圖

2 模塊設計

模塊采用Xilinx 公司K7 系列的FPGA 芯片作為核心芯片，通過對LocalLink/AXI4-Stream 總線協議各接口信號進行邏輯處理和時序調整，完成了兩協議轉換功能。根據模塊功能需求模塊分為LocalLink 轉AXI4-S 模塊和AXI4-S 轉LocalLink 模塊兩部分。

2.1 LocalLink 轉AXI4-S 模塊

LocalLink 轉AXI4-S 模塊負責將LocalLink 協議數據轉換成AXI4-S 總線協議格式，并將數據發(fā)送到AXI4-S 總線上。在其結構上可以分為以下兩個部分：一個邏輯電路和一個register slice，其結構框圖，如圖4 所示。

圖4 LocalLink 轉AXI4-S 模塊結構框圖

由圖4 可知，邏輯電路將LocalLink 數據流轉換為AXI4-S數據流，register slice 完成對AXI4-S 數據流打拍實現時序處理。邏輯電路與register slice 功能具體詳述如下：邏輯電路中，對于輸入的LocalLink 信號，在源準備好和目的準備好置起時，收發(fā)雙方成功握手，數據傳輸開始。數據線在整個傳輸過程中均為直連，不對其進行邏輯操作；EOF 信號對應LAST 信號；SRC_RDY 信號對應VALID 信號；REM 信號分全字節(jié)有效/部分字節(jié)有效情況輸出對應的KEEP 信號，READY 信號對應輸出給上級的準備好信號。此時信號轉換為AXI4-S 數據流形式。Slice 包括四部分：邏輯功能產生器，存儲單元，多路復用器以及進位邏輯。使用register slice 的數據切片以及隔離主從之間時鐘路徑功能，將AXI4-S 總線數據流中的數據切片并存儲到寄存器內，高效且穩(wěn)定輸出符合預期頻率的AXI4-S 總線數據流。因register slice 中信號均為低電平有效，在邏輯電路中進行相應的取反操作。

部分信號賦值語句如下：

2.2 AXI4-S 轉LocalLink 模塊

AXI4-S 轉LocalLink 模塊將從AXI4-S 總線上接收到的數據轉換成LocalLink 協議形式的數據發(fā)送出去。在其結構上可以分為以下四個部分：兩個邏輯電路和兩個register slice，其結構框圖，如圖5 所示。

圖5 AXI 轉LocalLink 模塊結構框圖

由圖5 可知，AXI4-S 轉LocalLink 模塊實現方式與LocalLink 轉AXI4-S 模塊有所區(qū)別，其通過兩個邏輯電路和兩個register slice 實現。邏輯電路與register slice 功能具體詳述如下：對于輸入的AXI4-S 總線數據流，在tready信號和tvalid 信號同時置起時，收發(fā)雙方成功握手，數據傳輸開始。輸入的AXI4-S 總線數據流，輸入至register slice 進行切片處理并緩存在寄存器中，輸出至邏輯電路，模塊中主要的時序邏輯轉換由此模塊完成。其中，tdata、tready、tvalid 均為直連；tuser 信號為s_rem、s_sof 和s_tlast 的一個組合信號，在輸入信號m_axi_tkeep 中搜索第一個零值，循環(huán)遍歷信號的位，檢查每位是否為0，當找到第一個零值時，循環(huán)停止，輸出對應的s_rem，如果沒有找到零值，則s_rem 設置為全零。Tkeep、tlast、tvalid 信號是否同時為真決定s_sof 為0 或1。因此電路為時序邏輯電路，存在時序問題，將輸出的AXI4-S總線數據流再次輸入至register slice 切片緩存實現對時序的處理，輸出穩(wěn)定的AXI4-S 總線數據流；最后進入邏輯電路，進行取反與邏輯與等組合邏輯操作后，輸出符合預期頻率的LocalLink信號。

部分信號賦值語句如下：

3 仿真分析

使用Xilinx 的集成開發(fā)環(huán)境Vivado 2017.4 進行邏輯功能實現以及相應的仿真測試。本次模塊設計采用層次化設計思想，將復雜的設計簡化為模塊化設計。由于FPGA 的縱隔實現周期較長，設計使用Testbench 模型提供系統激勵來進行功能仿真測試。使用自定義的數據源，在上行輸出處與下行輸入處做自環(huán)連接，根據SOF 信號與EOF 信號同時/不同時置起兩種情況，對回路中各個模塊進行仿真實驗。系統時鐘設置為100M，復位時間為3250ns，一幀數據為64Byte。Testbench 給入LocalLink 格式數據流。

當SOF 信號與EOF 信號同時置起時，上行仿真圖如圖6 所示。其中，CLK 是時鐘信號，RESET 是系統復位信號，O_LK_SOF、O_LK_EOF、O_LK_DATA、O_SDL_REM、O_LK_SRC_RDY、I_LK_DST_RDY 為輸入的LocalLink 信號。LocalLink 信號經過處理后輸出一組AXI4-S 信號。下行仿真圖如圖7 所示，從上行來的AXI4-S 信號經過處理后輸出一組LocalLink 信號。

圖6 上行仿真結果

圖7 下行仿真結果

當SOF 信號與EOF 信號不同時置起時，上行仿真圖如圖8 所示。LocalLink 信號經過處理后輸出一組AXI4-S 信號。下行仿真圖如圖9 所示，從上行來的AXI4-S 信號經過處理后輸出一組LocalLink 信號。

圖8 上行仿真結果

圖9 下行仿真結果

由圖可以看出，兩種情況下上行和下行接口信號的時序完全正確，上行模塊輸入的數據與經過本模塊行輸出的數據流完全相同，可充分驗證本模塊數據傳輸的正確性。

4 結語

本模塊設計在基于FPGA 的環(huán)境下，采用VHDL 和Verilog 硬件描述語言進行編程設計。對LocalLink 協議和AXI4-S 總線協議的概念、特性以及接口信號等進行了詳細介紹，將register slice 運用到系統中，給出模塊設計方案。對模塊功能進行仿真驗證，實現LocalLink/AXI4-S 總線協議轉換，具有很實用的參考和工程價值。