聊聊AMBA總線-APB

1 - APB引言：

首先考慮一下以下的場景：

有一個水果店，只賣三種水果，分別是草莓、藍(lán)莓和蘋果。水果店按照客人購買量進(jìn)行 水果的進(jìn)貨 。 廠商根據(jù)水果店的要求 ，提供對應(yīng)數(shù)量的水果并 運送到水果店 。

每次交易如下：

水果店根據(jù)需求使用****大喇叭廣播 自己的訂單需求 ，說出想要訂貨的數(shù)量， 對應(yīng)廠商提供水果上門 ，水果店簽收。

使用這條水果運輸總線類比AMBA總線的APB****總線：

概念1: 主機（Master）

訂單的發(fā)起只能由 水果店發(fā)起 ,所以水果店在這條水果運輸總線里面運輸水果占有主動地位。

類比：

在APB總線里面，數(shù)據(jù)的傳輸只能由主機發(fā)起，其他部分響應(yīng)主機操作。

概念2：從機（Slave）

當(dāng)水果店發(fā)起訂單之后，和訂單匹配的廠家需要 提供對應(yīng)的水果送到水果店 。這里面的廠家 只能根據(jù)要求送水果 ，自己不能隨便向水果店送水果（沒有主動的權(quán)限）。

類比：

在APB總線里面，數(shù)據(jù)的回復(fù)由從機完成，從機 只能完成主機發(fā)起的操作 ，自己不能發(fā)起操作然后完成操作。

概念3：單主機（Single Master）

在這條水果運輸總線里面，當(dāng)前只有一個水果店，也只有這個水果店可以發(fā)起訂單需求，所以在 這條水果運輸總線里面，只有一個主機（按上圖來說）。

類比：

在APB總線里面， 有且只有一個主機可以連接到APB總線接口 ，其他的只能連接從機（外設(shè)），所以 APB總線只支持單主機模式 。

概念4：總線協(xié)議（Bus Protocol）

在這條水果運輸總線里面，水果店按照自己的需求，發(fā)起訂單，廠商提供水果，水果店確認(rèn)收到 。 這一個完整的流程以及順序被稱為水果總線在傳輸水果的協(xié)議。

類比：

在APB總線里面，主機先發(fā)起要訪問的外設(shè)地址，外設(shè)根據(jù)要求返回數(shù)據(jù)，主機收到數(shù)據(jù)，這一個完整的流程被稱為APB總線協(xié)議。

所以我們可以根據(jù)上面得出 （ 單主機 ） 總線的正式概念 ：

總線是被總線上所有的部件所共享的一組通路（連線），對于單主機來說，如果該主機想要與其中的外設(shè)部件進(jìn)行通信（獲得數(shù)據(jù)），需要將地址（廠商名字）、數(shù)據(jù)（水果）、命令（進(jìn)貨還是退貨）放到總線上，其他的從機部件對總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行偵聽，檢查地址數(shù)據(jù)和命令的是否與自己相關(guān)，然后 相關(guān)部件做出響應(yīng) 。

概念5： 命令總線、數(shù)據(jù)總線、地址總線

在這條水果運輸總線里面，水果店按照自己的需求,使用大喇叭發(fā)出進(jìn)貨還是退貨（命令）、哪個廠家（地址）、退貨的水果或者進(jìn)貨的水果（數(shù)據(jù)）。

類比：

在APB總線中，有地址線（PADDR），命令線（PWRITE、PENABLE、PESEL）和數(shù)據(jù)線（PRDATA、PWDATA）。

PS：舉的例子和APB不是一一完全對應(yīng)，但是表達(dá)的意思相同

2 - APB總線協(xié)議詳解：

2-1 APB在SOC內(nèi)使用的部分：

如圖：

CPU ： CPU是操作的發(fā)起者，CPU發(fā)起讀寫外設(shè)數(shù)據(jù)的操作。

APB_Interconnect :根據(jù)上文所說的總線協(xié)議和傳輸信號的要求，構(gòu)建出來的設(shè)計實體，該實體接收CPU發(fā)出的數(shù)據(jù)和指令，然后廣播到每一個外設(shè)部件。

**SLAVE：對APB_interconnect輸出數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行響應(yīng)。

**

Q1 : 是否可以不需要APB_interconnect，APB_Interconect的作用是什么？

如上圖，當(dāng)CPU只有一個外設(shè)，那么直接可以和外設(shè)相連，不需要APB_Interconect。此時CPU的發(fā)出的指令和操作只會發(fā)給URT0，不需要地址來仲裁。如下圖：

但是當(dāng)CPU需要連接多個外設(shè)的時候（CPU只管發(fā)出地址和命令），根據(jù) CPU地址范圍分配表 ：

（1）APB_Interconect對每一個外設(shè)設(shè)置地址，然后APB_Interconect根據(jù)CPU發(fā)出的地址，選中對應(yīng)地址的外設(shè)，把CPU的地址和指令傳輸?shù)皆撏庠O(shè) [地址路由仲裁]。

結(jié)論： 是否需要APB_interconnect根據(jù)應(yīng)用而定 ，如果只是單個的外設(shè)連接CPU（很少出現(xiàn)），可以直接連接CPU和外設(shè)通過APB總線。不需要APB_Interconect， 但是當(dāng)外設(shè)數(shù)目變多 ，自然而然的就引入了 不同外設(shè)的區(qū)分， 所以當(dāng)多個外設(shè)的時候，需要引入APB_Interconect來做這些相關(guān)的處理。

用水果店類比：水果店用大喇叭發(fā)出訂單，所有的水果廠家進(jìn)行偵聽，然后響應(yīng)訂單，**或者假如水果廠家沒有偵聽裝置，可以在水果店和水果廠家之間加一個Interconect，**這個Interconect的作用是當(dāng)收到某一個廠家的名字時，根據(jù) 廠家名字和地址的關(guān)系 ，把需求 單獨發(fā)送給對應(yīng)的廠家，專門通知供應(yīng)廠家 （也就是選中外設(shè)）。

2-2 APB總線接口： （AMBA APB 2.0）

根據(jù)上圖，結(jié)合之前的類比和概念我們基本就可以知道APB該怎么運行。

2-3 APB Bridge示意接口（APB_Interconect）

根據(jù)AMBA APB手冊，截取APB Bridge接口：

圖左邊的接口System Bus Slave Interface，連接APB 主機（即上面的CPU），這個接口也是APB完整的接口，包含上面舉例的信號。圖右邊和左下面的接口連接多個SLAVE， 其中PSELn有多個 ，每個對應(yīng)不同的SLAVE。其他信號對于SLAVE是一致的，因為PSELn已經(jīng)可以選中不同的SLAVE來接收傳輸?shù)墓蚕硇盘柫恕?/p>

2-4 APB BUS時序圖（AMBA APB 2.0手冊）

寫傳輸：

如上時序圖，主機在T2時刻把所要訪問的 地址，命令和數(shù)據(jù)全部放到APB總線上 ，沿著組成APB的接口的金屬線 傳播到從機接口處 。在T3時刻， 從機發(fā)現(xiàn)自己的PSEL信號為高 ，就知道 主機選擇它來處理數(shù)據(jù)的寫操作 ，此時從機內(nèi)部準(zhǔn)備好處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備動作，在T4時刻，從機 完成總線上數(shù)據(jù)采樣并進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理 。

WriteEnable = PSEL & (!PENABLE) & PWRTIE ;
或者
WriteEnable = PSEL & PENABLE & PWRTIE ;


always @ (posedge PCLK or negedge PRESETn)
begin
  if(~PRESETn)
  begin
    reg_paddr  <= 'h0 ;
    reg_pwdata <= 'h0 ;
  end
  else if(WriteEnable)
  bein
    reg_paddr  <= PADDR ;
    reg_pwdata <= PWDATA ;   
  end
end


TODO:
外設(shè)內(nèi)部處理數(shù)據(jù)

讀傳輸：

如上時序圖，主機在T2時刻把所要訪問的 地址，命令和數(shù)據(jù)全部放到APB總線上 ，沿著組成APB的接口的金屬線 傳播到從機接口處 。在T3時刻， 從機發(fā)現(xiàn)自己的PSEL信號為高 ，就知道 主機需要它內(nèi)部的數(shù)據(jù)（PWRITE ==0） ，此時從機內(nèi)部準(zhǔn)備好 返回數(shù)據(jù)并把返回的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上 ，在T4時刻，主機 完成總線上數(shù)據(jù)采樣得到需要的數(shù)據(jù) 。

ReadEnable = PSEL & (!PENABLE) & (!PWRTIE)
always @ (posedge PCLK or negedge PRESETn)
begin
  if(~PRESETn)
  begin
    reg_paddr  <= 'h0 ;
    reg_prdata <= 'h0 ;
  end
  else if(ReadEnable)
  bein
    reg_paddr  <= PADDR ;
    reg_prdata <= 外設(shè)內(nèi)部產(chǎn)生的數(shù)據(jù) ;   
  end
end
assign PRDATA = reg_prdata ;

2-5 APB BUS的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：設(shè)計簡單，時序簡單，用在不需要高性能總線的外設(shè)上。

**缺點：每個數(shù)據(jù)的傳輸都需要兩個時鐘周期，這樣的話，APB BUS滿載的帶寬也只有50%，帶寬利用率不高。

**