AXI4-Stream 格式：高性能流式数据传输的标准化协议(上)

在现代数字系统设计中，流式数据传输（如视频、音频、传感器数据流）的高效性和可靠性直接决定了系统性能。AXI4-Stream 作为 ARM 公司 AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议家族的重要成员，专为连续流式数据传输设计，已成为片上系统（SoC）和 FPGA 中高速数据链路的事实标准。本文将系统解析 AXI4-Stream 格式的协议规范、技术特性及应用实践。

一、AXI4-Stream 格式的核心定义与设计目标

AXI4-Stream 是一种面向无地址、连续数据流的点对点传输协议，与面向存储器映射的 AXI4 协议不同，它取消了地址通道，专注于数据的高效流式传输。其核心设计目标包括：

高带宽利用率：通过简化控制信号和支持突发传输，最大化数据传输效率

灵活性：适应不同类型的流式数据（从低速传感器数据到高速视频流）

可扩展性：支持宽数据总线（8 位至 1024 位）和多种扩展信号

简单性：减少协议开销，降低硬件实现复杂度

AXI4-Stream 格式的本质是定义了一套数据帧结构和传输规则，使发送端（Source）和接收端（Sink）能够无缝协作，实现数据的有序、高效传输。

二、AXI4-Stream 的信号组成与帧结构

1. 基础信号集

AXI4-Stream 的核心信号包括数据传输和控制两类，构成了协议的基础框架：

TDATA：数据总线，宽度可配置（8/16/32/64/128/256/512/1024 位），承载实际传输的数据

TVALID：发送端有效信号，高电平表示 TDATA 上的数据有效

TREADY：接收端就绪信号，高电平表示接收端可接收数据

TLAST：帧结束标志，高电平标识当前数据是一个数据帧的最后一个传输单元

这四个信号构成了 AXI4-Stream 的最小实现集，其中 TVALID 和 TREADY 组成握手机制：只有当 TVALID 和 TREADY 同时为高电平时，数据传输才会发生。

2. 扩展信号集

为满足复杂场景需求，AXI4-Stream 定义了可选的扩展信号：

TUSER：用户自定义信号，可携带元数据（如视频同步信号、错误标记），宽度可配置

TID：事务标识，用于多流复用场景下的流识别，支持乱序传输的重新排序

TDEST：目标标识，用于路由控制，指示数据应发送到的目标节点

TKEEP：字节使能信号，每 bit 对应 TDATA 的一个字节，高电平表示该字节有效

TSTRB：字节选通信号，功能与 TKEEP 类似，主要用于写操作的数据掩码

这些扩展信号使 AXI4-Stream 能够适应从简单到复杂的各类应用场景，例如 TUSER 在视频传输中可携带 HSYNC/VSYNC 信号，TID 和 TDEST 则支持多通道数据的并行传输与路由。

3. 帧结构定义

AXI4-Stream 的数据以 "帧（Frame）" 为基本传输单元，每个帧由一个或多个 "传输单元（Transfer）" 组成：

传输单元：单次握手中传输的数据，对应 TDATA 的宽度（如 32 位 TDATA 一次传输 32 位数据）

帧：由 TLAST 信号界定的一组传输单元，TLAST=1 标识帧结束

子帧：复杂场景中可通过 TUSER 信号定义更小的逻辑单元（如视频的一行像素）

典型的视频帧结构示例：

[行1像素数据] → [TLAST=0] → [行2像素数据] → ... → [行n像素数据] → [TLAST=1]

这种帧结构使 AXI4-Stream 既能支持连续无界数据流（如音频），也能支持有明确边界的块数据（如视频帧、网络包）。