在異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中，處理器與外部存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸效率往往是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵瓶頸。AXI_HP（AXI High Performance）接口作為 Xilinx ZYNQ 系列異構(gòu) SoC 中連接處理系統(tǒng)（PS）與可編程邏輯（PL）的高性能數(shù)據(jù)通道，專為高帶寬存儲(chǔ)器訪問設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn) PL 邏輯與外部存儲(chǔ)器之間的直接數(shù)據(jù)交互，大幅提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力。本文將系統(tǒng)解析 AXI_HP 接口的技術(shù)特性、協(xié)議規(guī)范及應(yīng)用實(shí)踐。

一、AXI_HP 接口的定義與定位

AXI_HP 接口是 ZYNQ 架構(gòu)中一類特殊的 AXI4 接口，全稱為 "高性能 AXI 接口"（AXI High Performance），主要用于 PL 邏輯直接訪問 PS 端控制的外部存儲(chǔ)器（如 DDR3/DDR4/SDRAM）。其核心定位是構(gòu)建一條從 PL 到存儲(chǔ)器的高帶寬數(shù)據(jù)通路，避免數(shù)據(jù)傳輸必須經(jīng)過(guò) PS 處理器的性能損耗。

在 ZYNQ 的典型架構(gòu)中，AXI_HP 接口通常包含 4 個(gè)獨(dú)立的 32 位 AXI4 主接口（HP0-HP3），這些接口由 PS 端提供，可被 PL 邏輯實(shí)例化的 IP 核作為主設(shè)備使用，直接發(fā)起對(duì)外部存儲(chǔ)器的讀寫操作。這種架構(gòu)設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng) SoC 中處理器作為存儲(chǔ)器訪問唯一仲裁者的限制，使 PL 中的硬件加速器能夠以接近存儲(chǔ)器原生帶寬的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

AXI_HP 接口與 ZYNQ 中的其他 AXI 接口（如 AXI_GP、AXI_ACP）形成互補(bǔ)：

AXI_GP（通用 AXI 接口）主要用于 PS 與 PL 之間的控制信號(hào)傳輸，帶寬較低

AXI_ACP（加速器一致性端口）用于需要維護(hù)緩存一致性的加速器訪問

AXI_HP 則專注于無(wú)緩存一致性需求的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，是吞吐量最高的接口類型

二、AXI_HP 接口的架構(gòu)特性

1. 物理層特性

ZYNQ 系列中 AXI_HP 接口的硬件特性如下：

數(shù)據(jù)寬度：32 位（每個(gè) HP 通道）

時(shí)鐘頻率：最高支持與 PS 的 DDR 控制器同頻（如 ZYNQ-7000 系列最高可達(dá) 550MHz）

通道數(shù)量：4 個(gè)獨(dú)立通道（HP0 至 HP3），支持并行操作

總線寬度：地址總線 32 位，支持最大 4GB 地址空間

突發(fā)長(zhǎng)度：支持 1 至 256 拍的突發(fā)傳輸，滿足大塊數(shù)據(jù)連續(xù)訪問需求

4 個(gè)獨(dú)立通道的設(shè)計(jì)使 PL 邏輯能夠同時(shí)發(fā)起多個(gè)存儲(chǔ)器訪問事務(wù)，通過(guò)并行傳輸顯著提升總帶寬。例如，在 550MHz 時(shí)鐘下，單個(gè) 32 位 AXI_HP 通道的理論帶寬為 2.2GB/s（550MHz × 32 位 / 8），4 個(gè)通道并行工作時(shí)總帶寬可達(dá) 8.8GB/s，能夠滿足大多數(shù)高性能應(yīng)用的需求。

2. 協(xié)議基礎(chǔ)

AXI_HP 接口基于 AXI4 協(xié)議規(guī)范設(shè)計(jì)，支持 AXI4 的所有關(guān)鍵特性：

分離的地址 / 控制和數(shù)據(jù)通道，支持地址和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿行?span>

支持固定、遞增和換行三種突發(fā)類型，適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)布局需求

_outstanding 事務(wù)支持，允許在等待前一個(gè)事務(wù)完成前發(fā)起新的事務(wù)

讀寫數(shù)據(jù)通道分離，支持全雙工操作，讀和寫可以同時(shí)進(jìn)行

與標(biāo)準(zhǔn) AXI4 協(xié)議相比，AXI_HP 接口在 ZYNQ 中做了針對(duì)性優(yōu)化：

取消了 AXI4 中的部分低優(yōu)先級(jí)信號(hào)（如 PROT、CACHE 等），簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)

強(qiáng)化了突發(fā)傳輸機(jī)制，確保連續(xù)數(shù)據(jù)塊的高效傳輸

增加了與 PS 存儲(chǔ)器控制器的直接連接，減少中間仲裁延遲

3. 存儲(chǔ)器訪問路徑

AXI_HP 接口的存儲(chǔ)器訪問路徑為：

[PL邏輯/IP核] → [AXI_HP接口] → [PS內(nèi)部交叉開關(guān)] → [存儲(chǔ)器控制器] → [外部DDR]

這一路徑的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于：

直接訪問：PL 邏輯無(wú)需通過(guò) PS 處理器即可訪問外部存儲(chǔ)器

并行仲裁：4 個(gè) HP 通道通過(guò)內(nèi)部交叉開關(guān)進(jìn)行仲裁，相互獨(dú)立

帶寬保障：為 HP 接口分配了較高的存儲(chǔ)器訪問優(yōu)先級(jí)，確保帶寬需求