在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，流式數(shù)據(jù)傳輸（如視頻、音頻、傳感器數(shù)據(jù)流）的高效性和可靠性直接決定了系統(tǒng)性能。AXI4-Stream 作為 ARM 公司 AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）協(xié)議家族的重要成員，專為連續(xù)流式數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)，已成為片上系統(tǒng)（SoC）和 FPGA 中高速數(shù)據(jù)鏈路的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。本文將系統(tǒng)解析 AXI4-Stream 格式的協(xié)議規(guī)范、技術(shù)特性及應(yīng)用實(shí)踐。

一、AXI4-Stream 格式的核心定義與設(shè)計(jì)目標(biāo)

AXI4-Stream 是一種面向無地址、連續(xù)數(shù)據(jù)流的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸協(xié)議，與面向存儲器映射的 AXI4 協(xié)議不同，它取消了地址通道，專注于數(shù)據(jù)的高效流式傳輸。其核心設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：

高帶寬利用率：通過簡化控制信號和支持突發(fā)傳輸，最大化數(shù)據(jù)傳輸效率

靈活性：適應(yīng)不同類型的流式數(shù)據(jù)（從低速傳感器數(shù)據(jù)到高速視頻流）

可擴(kuò)展性：支持寬數(shù)據(jù)總線（8 位至 1024 位）和多種擴(kuò)展信號

簡單性：減少協(xié)議開銷，降低硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度

AXI4-Stream 格式的本質(zhì)是定義了一套數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和傳輸規(guī)則，使發(fā)送端（Source）和接收端（Sink）能夠無縫協(xié)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序、高效傳輸。

二、AXI4-Stream 的信號組成與幀結(jié)構(gòu)

1. 基礎(chǔ)信號集

AXI4-Stream 的核心信號包括數(shù)據(jù)傳輸和控制兩類，構(gòu)成了協(xié)議的基礎(chǔ)框架：

TDATA：數(shù)據(jù)總線，寬度可配置（8/16/32/64/128/256/512/1024 位），承載實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

TVALID：發(fā)送端有效信號，高電平表示 TDATA 上的數(shù)據(jù)有效

TREADY：接收端就緒信號，高電平表示接收端可接收數(shù)據(jù)

TLAST：幀結(jié)束標(biāo)志，高電平標(biāo)識當(dāng)前數(shù)據(jù)是一個(gè)數(shù)據(jù)幀的最后一個(gè)傳輸單元

這四個(gè)信號構(gòu)成了 AXI4-Stream 的最小實(shí)現(xiàn)集，其中 TVALID 和 TREADY 組成握手機(jī)制：只有當(dāng) TVALID 和 TREADY 同時(shí)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸才會發(fā)生。

2. 擴(kuò)展信號集

為滿足復(fù)雜場景需求，AXI4-Stream 定義了可選的擴(kuò)展信號：

TUSER：用戶自定義信號，可攜帶元數(shù)據(jù)（如視頻同步信號、錯(cuò)誤標(biāo)記），寬度可配置

TID：事務(wù)標(biāo)識，用于多流復(fù)用場景下的流識別，支持亂序傳輸?shù)闹匦屡判?span>

TDEST：目標(biāo)標(biāo)識，用于路由控制，指示數(shù)據(jù)應(yīng)發(fā)送到的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)

TKEEP：字節(jié)使能信號，每 bit 對應(yīng) TDATA 的一個(gè)字節(jié)，高電平表示該字節(jié)有效

TSTRB：字節(jié)選通信號，功能與 TKEEP 類似，主要用于寫操作的數(shù)據(jù)掩碼

這些擴(kuò)展信號使 AXI4-Stream 能夠適應(yīng)從簡單到復(fù)雜的各類應(yīng)用場景，例如 TUSER 在視頻傳輸中可攜帶 HSYNC/VSYNC 信號，TID 和 TDEST 則支持多通道數(shù)據(jù)的并行傳輸與路由。

3. 幀結(jié)構(gòu)定義

AXI4-Stream 的數(shù)據(jù)以 "幀（Frame）" 為基本傳輸單元，每個(gè)幀由一個(gè)或多個(gè) "傳輸單元（Transfer）" 組成：

傳輸單元：單次握手中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對應(yīng) TDATA 的寬度（如 32 位 TDATA 一次傳輸 32 位數(shù)據(jù)）

幀：由 TLAST 信號界定的一組傳輸單元，TLAST=1 標(biāo)識幀結(jié)束

子幀：復(fù)雜場景中可通過 TUSER 信號定義更小的邏輯單元（如視頻的一行像素）

典型的視頻幀結(jié)構(gòu)示例：

[行1像素?cái)?shù)據(jù)] → [TLAST=0] → [行2像素?cái)?shù)據(jù)] → ... → [行n像素?cái)?shù)據(jù)] → [TLAST=1]

這種幀結(jié)構(gòu)使 AXI4-Stream 既能支持連續(xù)無界數(shù)據(jù)流（如音頻），也能支持有明確邊界的塊數(shù)據(jù)（如視頻幀、網(wǎng)絡(luò)包）。