在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計中，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)傳輸設計，已成為片上系統(tǒng)（SoC）和 FPGA 中高速數(shù)據(jù)鏈路的事實標準。本文將系統(tǒng)解析 AXI4-Stream 格式的協(xié)議規(guī)范、技術(shù)特性及應用實踐。

一、AXI4-Stream 格式的核心定義與設計目標

AXI4-Stream 是一種面向無地址、連續(xù)數(shù)據(jù)流的點對點傳輸協(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。其核心設計目標包括：

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）

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

簡單性：減少協(xié)議開銷，降低硬件實現(xiàn)復雜度

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)束標志，高電平標識當前數(shù)據(jù)是一個數(shù)據(jù)幀的最后一個傳輸單元

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

2. 擴展信號集

為滿足復雜場景需求，AXI4-Stream 定義了可選的擴展信號：

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

TID：事務標識，用于多流復用場景下的流識別，支持亂序傳輸?shù)闹匦屡判?span>

TDEST：目標標識，用于路由控制，指示數(shù)據(jù)應發(fā)送到的目標節(jié)點

TKEEP：字節(jié)使能信號，每 bit 對應 TDATA 的一個字節(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

這些擴展信號使 AXI4-Stream 能夠適應從簡單到復雜的各類應用場景，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，每個幀由一個或多個 "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 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 標識幀結(jié)束

子幀：復雜場景中可通過 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像素數(shù)據(jù)] → [TLAST=0] → [行2像素數(shù)據(jù)] → ... → [行n像素數(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)絡包）。