AMBA協(xié)議的基礎(chǔ)知識(shí)介紹

在基于IP復(fù)用的SoC設(shè)計(jì)中，片上總線設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的問(wèn)題。為此，業(yè)界出現(xiàn)了很多片上總線標(biāo)準(zhǔn)。其中，由ARM公司推出的AMBA片上總線受到了廣大IP開(kāi)發(fā)商和SoC系統(tǒng)集成者的青睞，已成為一種流行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)片上結(jié)構(gòu)。AMBA規(guī)范主要包括了AHB(Advanced High performance Bus)系統(tǒng)總線和APB(Advanced Peripheral Bus)外圍總線。 AMBA 2.0規(guī)范包括四個(gè)部分：AHB、ASB、APB、AXI和Test Methodology。AHB的相互連接采用了傳統(tǒng)的帶有主模塊和從模塊的共享總線，接口與互連功能分離，這對(duì)芯片上模塊之間的互連具有重要意義。AMBA已不僅是一種總線，更是一種帶有接口模塊的互連體系。

1.1.1AMBA協(xié)議的演進(jìn)

圖4?4 AMBA協(xié)議的演進(jìn) ·AMBA 1只有ASB和APB協(xié)議； ·AMBA 2引入AHB協(xié)議用于高速數(shù)據(jù)傳輸； ·AMBA 3，為適應(yīng)高吞吐量傳輸和調(diào)試引入AXI和ATB，增加高級(jí)可擴(kuò)展接口，而AHB協(xié)議縮減為AHB-lite，APB協(xié)議增加了PREADY和PSLVERR，ASB由于設(shè)計(jì)復(fù)雜而不再使用； ·AMBA 4，AXI得到了增強(qiáng)，引入QOS和long burst的支持，根據(jù)應(yīng)用不同可選AXI4，AXI4-lite，AXI4-stream，同時(shí)為滿足復(fù)雜SOC的操作一致性引入ACE和ACE-lite協(xié)議，APB和ATB也同時(shí)得到增強(qiáng)，比如APB加入了PPROT和PSTRB，另外為改善總線數(shù)據(jù)傳輸引入QVN協(xié)議； ·適應(yīng)更加復(fù)雜的高速NOC設(shè)計(jì)，引入環(huán)形總線協(xié)議，推出的AMBA CHI協(xié)議。 V1.0 ASB、APB是第一代AMBA協(xié)議的一部分。主要應(yīng)用在低帶寬的外設(shè)上，如UART、 I2C，它的架構(gòu)不像AHB總線是多主設(shè)備的架構(gòu)，APB總線的唯一主設(shè)備是APB橋（與AXI或APB相連），因此不需要仲裁一些Request/grant信號(hào)。APB的協(xié)議也十分簡(jiǎn)單，甚至不是流水的操作，固定兩個(gè)時(shí)鐘周期完成一次讀或?qū)懙牟僮?。其特性包括：兩個(gè)時(shí)鐘周期傳輸，無(wú)需等待周期和回應(yīng)信號(hào)，控制邏輯簡(jiǎn)單，只有四個(gè)控制信號(hào)。傳輸可用如下?tīng)顟B(tài)圖表示，

圖4?5 傳輸狀態(tài)圖 ·系統(tǒng)初始化為IDLE狀態(tài)，此時(shí)沒(méi)有傳輸操作，也沒(méi)有選中任何從模塊。 ·當(dāng)有傳輸要進(jìn)行時(shí)，PSELx=1，PENABLE=0，系統(tǒng)進(jìn)入SETUP狀態(tài)，并只會(huì)在SETUP 狀態(tài)停留一個(gè)周期。當(dāng)PCLK的下一個(gè)上升沿時(shí)到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入ENABLE 狀態(tài)。 ·系統(tǒng)進(jìn)入ENABLE狀態(tài)時(shí)，維持之前在SETUP 狀態(tài)的PADDR、PSEL、PWRITE不變，并將PENABLE置為1。傳輸也只會(huì)在ENABLE狀態(tài)維持一個(gè)周期，在經(jīng)過(guò)SETUP與ENABLE狀態(tài)之后就已完成。之后如果沒(méi)有傳輸要進(jìn)行，就進(jìn)入IDLE狀態(tài)等待；如果有連續(xù)的傳輸，則進(jìn)入SETUP狀態(tài)。 V2.0 AHB是第二代AMBA協(xié)議最重要的一部分。AHB總線規(guī)范是AMBA總線規(guī)范的一部分，AMBA總線規(guī)范是ARM公司提出的總線規(guī)范，被大多數(shù)SoC設(shè)計(jì)采用，它規(guī)定了AHB (Advanced High-performance Bus)、ASB (Advanced System Bus)、APB (Advanced Peripheral Bus)。AHB用于高性能、高時(shí)鐘頻率的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，典型的應(yīng)用如ARM核與系統(tǒng)內(nèi)部的高速RAM、NAND FLASH、DMA、Bridge的連接。APB用于連接外部設(shè)備，對(duì)性能要求不高，而考慮低功耗問(wèn)題。ASB是AHB的一種替代方案。

圖4?6 相比于APB，區(qū)分了地址周期和數(shù)據(jù)周期 AHB總線強(qiáng)大之處在于它可以將微控制器（CPU）、高帶寬的片上RAM、高帶寬的外部存儲(chǔ)器接口、DMA總線控制器，以及各種AHB接口的控制器等連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的完整SOC系統(tǒng)，還可以通過(guò)AHB-APB橋來(lái)連接APB總線系統(tǒng)。

圖4?7 通過(guò)AHB-APB橋來(lái)連接APB總線系統(tǒng) AHB總線由主設(shè)備Master、從設(shè)備Slave，內(nèi)部包括仲裁器，譯碼器，數(shù)據(jù)多路和地址控制多路組成。 ·主設(shè)備發(fā)起一次讀/寫(xiě)操作，某一時(shí)刻只允許一個(gè)主設(shè)備使用總線。 ·從設(shè)備響應(yīng)一次讀/寫(xiě)操作，通過(guò)地址映射選擇使用哪一個(gè)從設(shè)備。 ·仲裁器允許某一個(gè)主設(shè)備控制總線 ·譯碼器通過(guò)地址譯碼決定選擇哪一個(gè)從設(shè)備 仲裁機(jī)制 仲裁機(jī)制保證了任意時(shí)刻只有一個(gè)master可以接入總線。arbiter決定哪個(gè)發(fā)出接入請(qǐng)求的master可以接入總線，這通過(guò)優(yōu)先級(jí)算法實(shí)現(xiàn)。AHB規(guī)范并沒(méi)有給出優(yōu)先級(jí)算法，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)具體的系統(tǒng)要求定義。一般情況下arbiter不會(huì)中斷一個(gè)burst傳輸，將總線接入權(quán)讓給其他master。當(dāng)然未定義長(zhǎng)度的burst傳輸是可以打斷的，這要看優(yōu)先級(jí)算法是如何規(guī)定的。如果一筆burst被打斷，master再度獲得接入權(quán)限時(shí)，會(huì)傳遞剩余的部分。如一筆長(zhǎng)度為INCR8的傳輸在傳遞3 beat后被打斷，master再次獲得接入授權(quán)后，會(huì)繼續(xù)傳輸剩余的5 beat，剩余部分可以由一個(gè)SINGLE和一個(gè)INCR4組成，或者一個(gè)INCR。 地址譯碼器 地址譯碼器用于為總線上每個(gè)slave提供選擇信號(hào)HSELx，選擇信號(hào)是通過(guò)組合邏輯對(duì)地址碼譯碼產(chǎn)生的。只有當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸完成后（HREADY為高），slave才會(huì)采樣地址和控制信號(hào)以及HSELx。在一定條件下可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：產(chǎn)生HSELx信號(hào)而HREADY為低，在當(dāng)前傳輸后slave會(huì)改變。每個(gè)slave最小的地址空間為1KB，所有的master的burst傳輸上限也是1KB，如此設(shè)計(jì)保證了不會(huì)出現(xiàn)地址越界問(wèn)題。當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)不會(huì)用到所有的地址空間時(shí)，可能出現(xiàn)訪問(wèn)到一個(gè)不存在的地址的情況，這就需要增加一個(gè)附加的默認(rèn)slave來(lái)為上面的情況提供一個(gè)響應(yīng)。當(dāng)SEQ或NONSEQ傳輸訪問(wèn)到一個(gè)不存在的地址，默認(rèn)slave應(yīng)該提供ERROR響應(yīng)；當(dāng)IDLE或BUSY傳輸訪問(wèn)到一個(gè)不存在的地址，默認(rèn)slave會(huì)響應(yīng)OKAY。地址譯碼器會(huì)帶有實(shí)現(xiàn)默認(rèn)slave的功能。 表4?1 各個(gè)信號(hào)描述

HRESP[1:0] 響應(yīng)信號(hào) 傳輸響應(yīng)HRESP[1:0] 00: OKAY 01: ERROR 10: RETRY 傳輸未完成，請(qǐng)求主設(shè)備重新開(kāi)始一個(gè)傳輸，arbiter會(huì)繼續(xù)使用通常的優(yōu)先級(jí) 11: SPLIT 傳輸未完成，請(qǐng)求主設(shè)備分離一次傳輸，arbiter會(huì)調(diào)整優(yōu)先級(jí)方案以便其他請(qǐng)求總線的主設(shè)備可以訪問(wèn)總線 表4?2 AHB仲裁信號(hào)

V3.0 AXI（Advanced eXtensible Interface）是一種總協(xié)議，該協(xié)議是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）3.0協(xié)議中最重要的部分。 ·高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線 ·地址/控制和數(shù)據(jù)相位是分離的，分離的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)通道。控制和數(shù)據(jù)通道分離，就可以不等需要的操作完成，就發(fā)出下一個(gè)操作，流水線操作，數(shù)據(jù)吞吐量增加達(dá)到提速的作用。 ·單向通道體系結(jié)構(gòu)，使得片上信息流只是以單方向傳輸，減少了延時(shí)，更小的面積，更低的功耗，獲得優(yōu)異的性能。 AXI4 是第四代AMBA協(xié)議重要的一部分，AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-streamAXI4.0-lite是AXI的簡(jiǎn)化版本，ACE4.0 是AXI緩存一致性擴(kuò)展接口，AXI4.0-stream是ARM公司和Xilinx公司一起提出，主要用在FPGA進(jìn)行以數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的大量數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)用。 · 適合高帶寬低延時(shí)設(shè)計(jì)，無(wú)需復(fù)雜的橋就實(shí)現(xiàn)高頻操作，向下兼容已有的AHB和APB接口。 ·分離地址/控制、數(shù)據(jù)相位 ·分離的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)通道，提供低功耗DMA ·使用字節(jié)線支持非對(duì)齊的數(shù)據(jù)傳輸 ·使用基于burst的傳輸，只需傳輸首地址 ·支持多種傳輸方式，支持亂序傳輸 ·允許容易的添加寄存器來(lái)進(jìn)行時(shí)序收斂 AXI架構(gòu)分為5個(gè)獨(dú)立的傳輸通道，讀地址通道、讀數(shù)據(jù)通道、寫(xiě)地址通道、寫(xiě)數(shù)據(jù)通道、寫(xiě)響應(yīng)通道。基于VALID/READY的握手機(jī)制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，傳輸源端使用VALID表明地址/控制信號(hào)、數(shù)據(jù)是有效的，目的端使用READY表明自己能夠接受信息。數(shù)據(jù)總線可為（8/16/32/64/128/256/512/1024bit），最大為單次傳輸一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 信號(hào)描述 表4?3 全局信號(hào)

表4?4 寫(xiě)地址通道信號(hào)

表4?5 寫(xiě)數(shù)據(jù)通道信號(hào)

表4?6 寫(xiě)響應(yīng)通道信號(hào)

表4?7讀地址通道信號(hào)

表 4?8 讀數(shù)據(jù)通道信號(hào)

表4?9 低功耗接口信號(hào)

每個(gè)數(shù)據(jù)通道有獨(dú)立的xVALID/xREADY握手信號(hào)對(duì)。 VALID與READY信號(hào)作為一對(duì)握手信號(hào)，為防止死鎖，進(jìn)行讀操作時(shí)，必須等讀地址通道握手完成，讀數(shù)據(jù)通道才可進(jìn)行下一步操作。進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，寫(xiě)地址通道與寫(xiě)數(shù)據(jù)通道互相獨(dú)立，但同樣必須等最后一組數(shù)據(jù)寫(xiě)完成寫(xiě)響應(yīng)通道握手完成。 AXI協(xié)議是基于burst的，主機(jī)只給出突發(fā)傳輸?shù)牡谝粋€(gè)字節(jié)的地址，從機(jī)必須計(jì)算突發(fā)傳輸后續(xù)的地址。突發(fā)傳輸不能跨4KB邊界（防止突發(fā)跨越兩個(gè)從機(jī)的邊界，也限制了從機(jī)所需支持的地址自增數(shù)）。 ·突發(fā)長(zhǎng)度 ARLEN[7:0]決定讀傳輸?shù)耐话l(fā)長(zhǎng)度，AWLEN[7:0]決定寫(xiě)傳輸?shù)耐话l(fā)長(zhǎng)度。AXI3只支持1~16次的突發(fā)傳輸（Burst_length=AxLEN[3:0]+1），AXI4擴(kuò)展突發(fā)長(zhǎng)度支持INCR突發(fā)類型為1~256次傳輸，對(duì)于其他的傳輸類型依然保持1~16次突發(fā)傳輸（Burst_Length=AxLEN[7:0]+1）。 ·傳輸規(guī)則 wraping burst ,burst長(zhǎng)度必須是2,4,8,16，burst不能跨4KB邊界，不支持提前終止burst傳輸。 ·突發(fā)大小 ARSIZE[2:0],讀突發(fā)傳輸；AWSIZE[2:0],寫(xiě)突發(fā)傳輸。 AxSIZE[2:0] bytes in transfer ‘b0001 ‘b0012 ‘b0104 ‘b0118 ‘b10016 ‘b10132 ‘b11064 ‘b111128 ·突發(fā)類型 FIXED：突發(fā)傳輸過(guò)程中地址固定，用于FIFO訪問(wèn) INCR：增量突發(fā)，傳輸過(guò)程中，地址遞增。增加量取決AxSIZE的值。 WRAP：回環(huán)突發(fā)，和增量突發(fā)類似，但會(huì)在特定高地址的邊界處回到低地址處?；丨h(huán)突發(fā)的長(zhǎng)度只能是2,4,8,16次傳輸，傳輸首地址和每次傳輸?shù)拇笮?duì)齊。最低的地址整個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小對(duì)齊?；丨h(huán)邊界等于（AxSIZE*AxLEN）。 AxBURST[1:0]burst type ‘b00FIXED ‘b01INCR ‘b10WRAP ‘b11Reserved Start_Address=AxADDR Number_Bytes=2^AxSIZE Burst_Length=AxLEN+1 Aligned_Addr=（INT（Start_Address/Number_Bytes))xNumber_Bytes。//INT表示向下取整。 對(duì)于INCR突發(fā)和WRAP突發(fā)但沒(méi)有到達(dá)回環(huán)邊界，地址由下述方程決定： Address_N=Aligned_Address+(N-1)xNumber_Bytes WRAP突發(fā)，突發(fā)邊界： Wrap_Boundary=(INT(Start_Address/(Number_Bytes x Burst_Length)))x(Number_Bytes x Burst_Length) 讀寫(xiě)響應(yīng)結(jié)構(gòu) 讀傳輸?shù)捻憫?yīng)信息是附加在讀數(shù)據(jù)通道上的，寫(xiě)傳輸?shù)捻憫?yīng)在寫(xiě)響應(yīng)通道。 RRESP[1:0],讀傳輸 BRESP[1:0],寫(xiě)傳輸 OKAY(‘b00):正常訪問(wèn)成功 EXOKAY(‘b01):Exclusive 訪問(wèn)成功 SLVERR(‘b10):從機(jī)錯(cuò)誤。表明訪問(wèn)已經(jīng)成功到了從機(jī)，但從機(jī)希望返回一個(gè)錯(cuò)誤的情況給主機(jī)。 DECERR(‘b11):譯碼錯(cuò)誤。一般由互聯(lián)組件給出，表明沒(méi)有對(duì)應(yīng)的從機(jī)地址。

1.1.2AMBA概述

AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 高級(jí)處理器總線架構(gòu) AHB (Advanced High-performance Bus) 高級(jí)高性能總線 ASB (Advanced System Bus) 高級(jí)系統(tǒng)總線 APB (Advanced Peripheral Bus) 高級(jí)外圍總線 AXI (Advanced eXtensible Interface) 高級(jí)可拓展接口 這些內(nèi)容加起來(lái)就定義出一套為了高性能SoC而設(shè)計(jì)的片上通信的標(biāo)準(zhǔn)。 AHB主要是針對(duì)高效率、高頻寬及快速系統(tǒng)模塊所設(shè)計(jì)的總線，它可以連接如微處理器、芯片上或芯片外的內(nèi)存模塊和DMA等高效率模塊。 APB主要用在低速且低功率的外圍，可針對(duì)外圍設(shè)備作功率消耗及復(fù)雜接口的最佳化。APB在AHB和低帶寬的外圍設(shè)備之間提供了通信的橋梁，所以APB是AHB或ASB的二級(jí)拓展總線。 AXI：高速度、高帶寬，管道化互聯(lián)，單向通道，只需要首地址，讀寫(xiě)并行，支持亂序，支持非對(duì)齊操作，有效支持初始延遲較高的外設(shè)，連線非常多。 表 4?10 幾種AMBA總線的性能對(duì)比分析

1.1.3AHB總線

AHB的組成 Master：能夠發(fā)起讀寫(xiě)操作，提供地址和控制信號(hào)，同一時(shí)間只有1個(gè)Master會(huì)被激活。 Slave：在給定的地址范圍內(nèi)對(duì)讀寫(xiě)操作作響應(yīng)，并對(duì)Master返回成功、失敗或者等待等狀態(tài)。 Arbiter：負(fù)責(zé)保證總線上一次只有1個(gè)Master在工作。仲裁協(xié)議是規(guī)定的，但是仲裁算法可以根據(jù)應(yīng)用決定。 Decoder：負(fù)責(zé)對(duì)地址進(jìn)行解碼，并提供片選信號(hào)到各Slave。 每個(gè)AHB都需要1個(gè)仲裁器和1個(gè)中央解碼器。

圖4?8 AHB的組成 AHB基本信號(hào) HADDR：32位系統(tǒng)地址總線 HTRANS：M指示傳輸狀態(tài)，NONSEQ、SEQ、IDLE、BUSY HWRITE：傳輸方向1-寫(xiě)，0-讀 HSIZE：傳輸單位 HBURST：傳輸?shù)腷urst類型 HWDATA：寫(xiě)數(shù)據(jù)總線，從M寫(xiě)到S HREADY：S應(yīng)答M是否讀寫(xiě)操作傳輸完成，1-傳輸完成，0-需延長(zhǎng)傳輸周期。需要注意的是HREADY作為總線上的信號(hào)，它是M和S的輸入；同時(shí)每個(gè)S需要輸出自HREADY。所以對(duì)于S會(huì)有兩個(gè)HREADY信號(hào)，一個(gè)來(lái)自總線的輸入，一個(gè)自己給到多路器的輸出。 HRESP：S應(yīng)答當(dāng)前傳輸狀態(tài)，OKAY、ERROR、RETRY、SPLIT。 HRDATA：讀數(shù)據(jù)總線，從S讀到M。 AHB基本傳輸 兩個(gè)階段 地址周期（AP），只有一個(gè)cycle 數(shù)據(jù)周期（DP），由HREADY信號(hào)決定需要幾個(gè)cycle 流水線傳送 先是地址周期，然后是數(shù)據(jù)周期 AHB突發(fā)傳輸與AXI突發(fā)傳輸?shù)奶攸c(diǎn) AHB協(xié)議需要一次突發(fā)傳輸?shù)乃械刂?，地址與數(shù)據(jù)鎖定對(duì)應(yīng)關(guān)系，后一次突發(fā)傳輸必須在前次傳輸完成才能進(jìn)行。 AXI只需要一次突發(fā)的首地址，可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)突發(fā)傳輸首地址而無(wú)需等待前次突發(fā)傳輸完成，并且多個(gè)數(shù)據(jù)可以交錯(cuò)傳遞，此特征大大提高了總線的利用率。 AHB總線與AXI總線均適用于高性能、高帶寬的SoC系統(tǒng)，但AXI具有更好的靈活性，而且能夠讀寫(xiě)通道并行發(fā)送，互不影響；更重要的是，AXI總線支持亂序傳輸，能夠有效地利用總線的帶寬，平衡內(nèi)部系統(tǒng)。因此SoC系統(tǒng)中，均以AXI總線為主總線，通過(guò)橋連接AHB總線與APB總線，這樣能夠增加SoC系統(tǒng)的靈活性，更加合理地把不同特征IP分配到總線上。

1.1.4APB總線

主要應(yīng)用在低帶寬的外設(shè)上，如UART、 I2C，它的架構(gòu)不像AHB總線是多主設(shè)備的架構(gòu)，APB總線的唯一主設(shè)備是APB橋（與AXI或APB相連），因此不需要仲裁一些Request/grant信號(hào)。APB的協(xié)議也十分簡(jiǎn)單，甚至不是流水的操作，固定兩個(gè)時(shí)鐘周期完成一次讀或?qū)懙牟僮鳌Ｆ涮匦园ǎ簝蓚€(gè)時(shí)鐘周期傳輸，無(wú)需等待周期和回應(yīng)信號(hào)，控制邏輯簡(jiǎn)單，只有四個(gè)控制信號(hào)。APB上的傳輸可用如圖所示的狀態(tài)圖來(lái)說(shuō)明。 1、系統(tǒng)初始化為IDLE狀態(tài)，此時(shí)沒(méi)有傳輸操作，也沒(méi)有選中任何從模塊。 2、當(dāng)有傳輸要進(jìn)行時(shí)，PSELx=1,，PENABLE=0，系統(tǒng)進(jìn)入SETUP狀態(tài)，并只會(huì)在SETUP狀態(tài)停留一個(gè)周期。當(dāng)PCLK的下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入ENABLE狀態(tài)。 3、系統(tǒng)進(jìn)入ENABLE狀態(tài)時(shí)，維持之前在SETUP狀態(tài)的PADDR、PSEL、PWRITE不變，并將PENABLE置為1。傳輸也只會(huì)在ENABLE狀態(tài)維持一個(gè)周期，在經(jīng)過(guò)SETUP與ENABLE狀態(tài)之后就已完成。之后如果沒(méi)有傳輸要進(jìn)行，就進(jìn)入IDLE狀態(tài)等待；如果有連續(xù)的傳輸，則進(jìn)入SETUP狀態(tài)。

圖4?9 APB總線