深度解讀AMBA、AHB、APB、AXI總線介紹及對(duì)比

什么是AMBA？

現(xiàn)如今，集成電路芯片的規(guī)模越來越大。數(shù)字IC從基于時(shí)序驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，發(fā)展到基于IP復(fù)用的設(shè)計(jì)方法，并在SoC設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。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)鍵的問題。

因而，業(yè)界出現(xiàn)了很多片上總線標(biāo)準(zhǔn)，AMBA是其中之一。

AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture），是一種開放的協(xié)議，主要用于SoC內(nèi)部和ASIC，用于連接各種功能模塊。簡稱AMBA總線，最早由ARM設(shè)計(jì)推出。AMBA是相對(duì)使用比較廣的片內(nèi)總線技術(shù)，已成為一種流行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)片上結(jié)構(gòu)，如今不單單是ARM專有的。

AMBA總線可以將RISC處理器集成在其他IP芯核和外設(shè)中，它是有效連接IP核的“數(shù)字膠”，并且是ARM復(fù)用策略的重要組件。它不是芯片與外設(shè)之間的接口，而是內(nèi)核與芯片上其他元件進(jìn)行通信的接口。

首先，讓我們按照它的發(fā)布版本來認(rèn)識(shí)一下它。

AMBA版本1規(guī)范定義：ASB（ Advanced System Bus）與 APB（Advanced Peripheral Bus）；

AMBA版本2規(guī)范定義：AHB（Advanced High-performance Bus）、ASB（ Advanced System Bus）與 APB（Advanced Peripheral Bus）；

AMBA版本3規(guī)范定義：AXI v1.0（Advanced Extensible Interface）、AHB-Lite v1.0（Advanced High-performance Bus Lite）、 APB v1.0（Advanced Peripheral Bus）與ATB v1.0（Advanced Trace Bus）；

AMBA版本4規(guī)范定義：ACE（AXI Coherency Extensions）、ACE-Lite（AXI Coherency Extensions Lite）、AXI4（Advanced Extensible Interface 4） 、AXI4-Lite（Advanced Extensible Interface 4 Lite）、AXI4-Stream v1.0（Advanced Extensible Interface 4 Stream）、APB v2.0（Advanced Peripheral Bus）與ATB v1.1（Advanced Trace Bus）；

它們之間的區(qū)別在哪里呢？讓我們來依次介紹它們。

AHB （Advanced High-performance Bus） 高級(jí)高性能總線

APB （Advanced Peripheral Bus） 高級(jí)外設(shè)總線

ASB （Advanced System Bus） 高級(jí)系統(tǒng)總線

AXI （Advanced eXtensible Interface） 高級(jí)可拓展接口

其中AXI是在AMBA3.0的協(xié)議中增加的，可以用于ARM和FPGA的高速數(shù)據(jù)交互，剩下的三種是在AMBA2.0協(xié)議中定義的總線標(biāo)準(zhǔn)。

AHB介紹

AHB主要用于高性能模塊（如CPU、DMA和DSP等）之間的連接，作為SoC的片上系統(tǒng)總線，它包括以下一些特性：單個(gè)時(shí)鐘邊沿操作；非三態(tài)的實(shí)現(xiàn)方式；支持突發(fā)傳輸；支持分段傳輸；支持多個(gè)主控制器；可配置32位~128位總線寬度；支持字節(jié)、半字節(jié)和字的傳輸。

AHB 系統(tǒng)由主模塊、從模塊和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（Infrastructure）3部分組成，整個(gè)AHB總線上的傳輸都由主模塊發(fā)出，由從模塊負(fù)責(zé)回應(yīng)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)則由仲裁器（arbiter）、主模塊到從模塊的多路器、從模塊到主模塊的多路器、譯碼器（decoder）、虛擬從模塊（dummy Slave）、虛擬主模塊（dummy Master）所組成。其互連結(jié)構(gòu)如下圖所示。

AHB的組成

Master（主控制器）：能夠發(fā)起讀寫操作，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（從設(shè)備）：在給定的地址范圍內(nèi)對(duì)讀寫操作作響應(yīng)，并對(duì)Master返回成功、失敗或者等待等狀態(tài)。

Arbiter（仲裁器）：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（譯碼器）：負(fù)責(zé)對(duì)地址進(jìn)行解碼，并提供片選信號(hào)到各Slave。

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，0-讀；

HSIZE：傳輸單位；

HBURST：傳輸?shù)腷urst類型；

HWDATA：寫數(shù)據(jù)總線，從M寫到S；

HREADY：S應(yīng)答M是否讀寫操作傳輸完成，1-傳輸完成，0-需延長傳輸周期。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。

APB介紹

APB主要用于低帶寬的周邊外設(shè)之間的連接，例如UART、1284等，它的總線架構(gòu)不像AHB支持多個(gè)主模塊，在APB里面唯一的主模塊就是APB 橋。

APB總線協(xié)議包含一個(gè)APB橋，它用來將AHB，ASB總線上的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為APB從設(shè)備控制器上可用信號(hào)。APB總線上所有的外設(shè)都是從設(shè)備，這些從設(shè)備有以下特點(diǎn)：

a 接收有效的地址和控制訪問

b 當(dāng)APB上的外設(shè)處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以將這些外設(shè)處于0功耗狀態(tài)

c 譯碼器可以通過選通信號(hào)，提供輸出時(shí)序（非鎖定接口）

d 訪問時(shí)可執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入

其特性包括：兩個(gè)時(shí)鐘周期傳輸；無需等待周期和回應(yīng)信號(hào)；控制邏輯簡單，只有四個(gè)控制信號(hào)。APB上的傳輸可以用下圖所示的狀態(tài)圖來說明。

1、系統(tǒng)初始化為IDLE狀態(tài)，此時(shí)沒有傳輸操作，也沒有選中任何從模塊。

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SETUP與ENABLE狀態(tài)之后就已完成。之后如果沒有傳輸要進(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)。

APB讀寫傳輸

一次傳輸過程中，psel保持兩個(gè)周期不變，且在此期間，paddr、pwrite也保持不變，penable在psel有效的第2個(gè)周期有效。為了降低功耗，地址信號(hào)和寫信號(hào)將在傳輸后不再改變，直到發(fā)生下一次傳輸。協(xié)議僅要求使能信號(hào)有個(gè)規(guī)則的跳變，背靠背傳輸情況下，選擇和寫信號(hào)可能有小跳變。

讀傳輸時(shí)各信號(hào)的時(shí)序和寫時(shí)一樣，在讀傳輸中，從機(jī)必須在ENABLE周期提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在ENABLE末尾的時(shí)鐘上升沿被采樣。

ASB介紹

AMBA2.0 規(guī)范中的ASB總線適用于連接高性能的系統(tǒng)模塊。它的讀/寫數(shù)據(jù)總線采用的是同一條雙向數(shù)據(jù)總線，可以在某些高速且不必要使用AHB 總線的場合作為系統(tǒng)總線，可以支持處理器、片上存儲(chǔ)器和片外處理器接口及與低功耗外部宏單元之間的連接。

ASB支持高性能處理器，片上內(nèi)存，片外內(nèi)存提供接口和慢速外設(shè)。高性能，數(shù)據(jù)傳輸，多總線主控制器，突發(fā)連續(xù)傳輸。ASB總線是位于APB總線架構(gòu)之上的用于高性能的總線協(xié)議，它有如下特點(diǎn)：

a 突發(fā)連續(xù)傳輸

b 單管道數(shù)據(jù)傳輸

c 多總線主控制器

AXI介紹

AXI是一種總線協(xié)議，該協(xié)議是ARM公司提出的AMBA3.0中最重要的部分，是一種面向高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線。AMBA4.0將其修改升級(jí)為AXI4.0。

AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-stream。

AXI4.0-lite是AXI的簡化版本，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。

AXI協(xié)議是基于burst的傳輸，并且定義了5個(gè)獨(dú)立的傳輸通道：讀地址通道、讀數(shù)據(jù)通道、寫地址通道、寫數(shù)據(jù)通道、寫響應(yīng)通道。

地址通道攜帶控制消息，用于描述被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)屬性；數(shù)據(jù)傳輸使用寫通道來實(shí)現(xiàn)master到slave的傳輸，slave使用寫響應(yīng)通道來完成一次寫傳輸；讀通道用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從slave到master的傳輸。

由若干master設(shè)備和slave設(shè)備通過一些形式的interconnect組成的典型的系統(tǒng)如下圖所示，AXI總線即可作為其中的Interface，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

AXI的性能

AXI總線是一種多通道傳輸總線，將地址、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、握手信號(hào)在不同的通道中發(fā)送，不同的訪問之間順序可以打亂，用BUSID來表示各個(gè)訪問的歸屬。主設(shè)備在沒有得到返回?cái)?shù)據(jù)的情況下可發(fā)出多個(gè)讀寫操作。讀回的數(shù)據(jù)順序可以被打亂，同時(shí)還支持非對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問。

AXI總線還定義了在進(jìn)出低功耗節(jié)電模式前后的握手協(xié)議。規(guī)定如何通知進(jìn)入低功耗模式，何時(shí)關(guān)斷時(shí)鐘，何時(shí)開啟時(shí)鐘，如何退出低功耗模式。這使得所有IP在進(jìn)行功耗控制的設(shè)計(jì)時(shí)，有據(jù)可依，容易集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)中。

AXI的特點(diǎn)

單向通道體系結(jié)構(gòu)-信息流只以單方向傳輸，簡化時(shí)鐘域間的橋接，減少門數(shù)量。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過復(fù)雜的片上系統(tǒng)時(shí)，減少延時(shí)。

支持多項(xiàng)數(shù)據(jù)交換-通過并行執(zhí)行猝發(fā)操作，極大地提高了數(shù)據(jù)吞吐能力，可在更短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，在滿足高性能要求的同時(shí)，又減少了功耗。

獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)通道-地址和數(shù)據(jù)通道分開，能對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，可以根據(jù)需要控制時(shí)序通道，將時(shí)鐘頻率提到最高，并將延時(shí)降到最低。

增強(qiáng)的靈活性-AXI技術(shù)擁有對(duì)稱的主從接口，無論在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或在多層系統(tǒng)中，都能十分方便地使用AXI技術(shù)。

AXI讀寫數(shù)據(jù)

寫入數(shù)據(jù)

1、master通過寫地址通道發(fā)出寫入請(qǐng)求；

2、master通過寫數(shù)據(jù)通道發(fā)送寫入的數(shù)據(jù)；

3、slave在完成寫入動(dòng)作后（寫數(shù)據(jù)通道last），通過寫響應(yīng)通道發(fā)回確認(rèn)信息。

讀取數(shù)據(jù)

1、master通過讀地址通道發(fā)出讀取請(qǐng)求；

2、slave通過讀數(shù)據(jù)通道將讀取的數(shù)據(jù)傳給master。

握手過程

5個(gè)傳輸通道均使用VALID/READY信號(hào)對(duì)傳輸過程的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)進(jìn)行握手。使用雙向握手機(jī)制，傳輸僅僅發(fā)生在VALID、READY同時(shí)有效的時(shí)候。

通道順序

AXI協(xié)議要求通道間滿足如下關(guān)系：

-寫響應(yīng)必須跟隨最后一次burst的的寫傳輸

-讀數(shù)據(jù)必須跟隨數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的地址

-通道握手信號(hào)需要確認(rèn)一些依賴關(guān)系

通道握手信號(hào)的依賴關(guān)系

為防止死鎖，通道握手信號(hào)需要遵循一定的依賴關(guān)系。

1、VALID信號(hào)不能依賴READY信號(hào)。

2、AXI接口可以等到檢測(cè)到VALID才斷言對(duì)應(yīng)的READY，也可以檢測(cè)到VALID之前就斷言READY。

單箭頭指向的信號(hào)能在箭頭起點(diǎn)信號(hào)之前或之后斷言；雙箭頭指向的信號(hào)必須在箭頭起點(diǎn)信號(hào)斷言之后斷言。

突發(fā)傳輸機(jī)制

突發(fā)傳輸，一般也稱為數(shù)據(jù)突發(fā)，其在通信領(lǐng)域中一般指在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行相對(duì)高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。

AXI 總線中的突發(fā)傳輸（Burst Transaction）是指，在地址總線上進(jìn)行一次地址傳輸后，進(jìn)行多次數(shù)據(jù)傳輸。第一次地址傳輸中的地址作為起始地址，根據(jù)突發(fā)傳輸類型的不同，后續(xù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址在起始地址的基礎(chǔ)上遞增（INCR 模式）；或者首先遞增，到達(dá)上限地址后回到起始地址，繼續(xù)遞增（WRAP 模式）；又或者后續(xù)數(shù)據(jù)都將不斷寫入起始地址，刷新起始地址上的數(shù)據(jù)。（FIXED 模式）

突發(fā)傳輸?shù)牧鞒?/p>

a.主機(jī)在讀/寫地址通道寫入起始地址（AxADDR）以及突發(fā)傳輸?shù)拈L度（AxLEN）、寬度（AxSIZE）、類型（AxBURST）等信息；

b.從機(jī)將在起始地址開始，依次接收主機(jī)傳輸?shù)膶憯?shù)據(jù)，或者讀取連續(xù)地址上的數(shù)據(jù)，作為讀數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)。

突發(fā)傳輸長度

突發(fā)傳輸長度（burst length），指一次突發(fā)傳輸中包含的數(shù)據(jù)傳輸（transfer）數(shù)量，在協(xié)議中使用AxLEN信號(hào)控制（AWLEN和ARLEN）。

突發(fā)傳輸長度在不同的模式下有一些限制，包括：

a.對(duì)于WRAP模式，突發(fā)傳輸長度僅能為2，4，8，16

b.在一次突發(fā)傳輸中，地址不能跨越4KB地址邊界

c.一次突發(fā)傳輸不能在完成所有數(shù)據(jù)傳輸前提前結(jié)束

突發(fā)傳輸寬度

突發(fā)傳輸寬度（burst size），指傳輸中的數(shù)據(jù)位寬，具體地，是每周期傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量，在協(xié)議中使用AxSIZE信號(hào)控制（AWSIZE和ARSIZE）。

突發(fā)傳輸數(shù)據(jù)寬度不能超過數(shù)據(jù)總線本身的位寬。而當(dāng)數(shù)據(jù)總線位寬大于突發(fā)傳輸寬度時(shí)，將根據(jù)協(xié)議的相關(guān)規(guī)定，將數(shù)據(jù)在部分?jǐn)?shù)據(jù)線上傳輸。

突發(fā)傳輸類型

突發(fā)傳輸類型（burst type），類型共有 3 種，分別為 FIXED，INCR 以及 WRAP。使用 2 位二進(jìn)制表示，在協(xié)議中使用 AxBURST信號(hào)控制（AWBURST和ARBURST）。

FIXED：突發(fā)傳輸過程中地址固定，用于FIFO訪問。

INCR：增量突發(fā)，傳輸過程中，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）。

AHB、AXI、APB的區(qū)別與聯(lián)系

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。

AMBA的應(yīng)用

大多數(shù)掛在總線上的模塊（包括處理器）只是單一屬性的功能模塊：主模塊或者從模塊。主模塊是向從模塊發(fā)出讀寫操作的模塊，如CPU，DSP等；從模塊是接受命令并做出反應(yīng)的模塊，如片上的RAM，AHB／APB 橋等。

另外，還有一些模塊同時(shí)具有兩種屬性，例如直接存儲(chǔ)器存取（DMA）在被編程時(shí)是從模塊，但在系統(tǒng)讀傳輸數(shù)據(jù)時(shí)必須是主模塊。如果總線上存在多個(gè)主模塊，就需要仲裁器來決定如何控制各種主模塊對(duì)總線的訪問。

雖然仲裁規(guī)范是AMBA總線規(guī)范中的一部分，但具體使用的算法由RTL設(shè)計(jì)工程師決定，其中兩個(gè)最常用的算法是固定優(yōu)先級(jí)算法和循環(huán)制算法。AHB總線上最多可以有16個(gè)主模塊和任意多個(gè)從模塊，如果主模塊數(shù)目大于16，則需再加一層結(jié)構(gòu)（具體參閱ARM公司推出的Multi-layer AHB規(guī)范）。APB 橋既是APB總線上唯一的主模塊，也是AHB系統(tǒng)總線上的從模塊。其主要功能是鎖存來自AHB系統(tǒng)總線的地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，并提供二級(jí)譯碼以產(chǎn)生APB外圍設(shè)備的選擇信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)AHB協(xié)議到APB協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

AMBA AHB循環(huán)級(jí)建模標(biāo)準(zhǔn)是完全公開和免費(fèi)的。

AMBA總線的仲裁

如果總線上存在多個(gè)主模塊，就需要仲裁器來決定如何控制各種主模塊對(duì)總線的訪問。

而對(duì)于AMBA總線仲裁的相關(guān)應(yīng)用，我們來看一個(gè)實(shí)例，有關(guān)于對(duì)應(yīng)的優(yōu)先順序的設(shè)置：

即，對(duì)應(yīng)的ARB寄存器，可以設(shè)置，AHB總線上面的數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)

ARMI：ARM的指令

ARMD：ARM的數(shù)據(jù)

DMAC：DMA控制器

BRIDGE：AHB/APB 橋（Bridge）

可以通過配置，決定他們的優(yōu)先級(jí)順序。

編輯：jq