AMBA總線那些事之APB

之前老李問(wèn)過(guò)大家想看哪方面的知識(shí)，有不少同學(xué)提議老李寫寫總線，特別是AMBA的總線，所以老李決定從這期開(kāi)始開(kāi)始一個(gè)AMBA總線介紹的系列文章。AMBA總線主要包括三種最常見(jiàn)的協(xié)議APB, AHB, AXI，它們的復(fù)雜度、性能和設(shè)計(jì)難度都是遞增的。在網(wǎng)上介紹三種協(xié)議的文章有不少，絕大多數(shù)都是把ARM的協(xié)議文檔翻譯一下，但是很少有人來(lái)系統(tǒng)介紹總線中的不同功能模塊的設(shè)計(jì)，特別是微架構(gòu)層面的設(shè)計(jì)邏輯。所以老李決定要提供給大家一些不一樣的內(nèi)容，在介紹協(xié)議基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，加入一些總線模塊的設(shè)計(jì)介紹，目的是讓大家有個(gè)更加直觀和具體的理解。當(dāng)然老李的水平也有限，有不少內(nèi)容也需要學(xué)習(xí)，有不足的地方也歡迎大家批評(píng)指正。

咱們首先來(lái)介紹AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)家族中最簡(jiǎn)單的協(xié)議APB -- Advanced Peripheral Bus。其實(shí)整個(gè)AMBA家族的協(xié)議也都有些年頭了，1998年的時(shí)候就發(fā)布了ABMA2， 2003年發(fā)布了ABMA3 APB 1.0版，2010年發(fā)布了AMBA 3 APB的2.0版。因?yàn)锳MBA2太過(guò)久遠(yuǎn)，現(xiàn)在主流的SoC里絕大多數(shù)IP都支持的是AMBA3 的APB。之后老李的介紹也是基于ABMA 3的APB1.0。

廢話不多說(shuō)，先說(shuō)APB能干啥，對(duì)于Bus，最核心的功能就是讀和寫，搞清楚有哪些控制信號(hào)和讀寫時(shí)序是最基本的。APB的協(xié)議非常簡(jiǎn)單，控制信號(hào)也很少，咱們直接上時(shí)序圖理解。

寫時(shí)序

這里先插一句，AMBA把它的三個(gè)協(xié)議APB, AHB, 和AXI的信號(hào)命名都很有規(guī)范，APB的信號(hào)都是以P開(kāi)頭，AHB的信號(hào)都是以H開(kāi)頭，AXI的信號(hào)卻不是以X開(kāi)頭，而是以A開(kāi)頭，這種命名方式幾乎成為了在設(shè)計(jì)AMBA總線模塊時(shí)候的潛規(guī)則，雖然ARM沒(méi)有規(guī)定你一定要用這種方式命名你的信號(hào)，但是在大家設(shè)計(jì)不同模塊和接口的時(shí)候，大家基本都遵循這種命名規(guī)則，這樣IP的使用者一眼就明白信號(hào)的用途，方便你我方便大家。

PCLK是總線時(shí)鐘，在上面的圖中，Master驅(qū)動(dòng)的是PADDR, PWRITE, PSEL, PENABLE, PWDATA，而Slave只驅(qū)動(dòng)PREADY。PADDR是transaction的地址，PWRITE用來(lái)區(qū)分是write還是read，如果是write transaction就是1，是read就是0。PWDATA就是write transaction的數(shù)據(jù)。PWDATA只在write transaction起作用。

然后就是非常重要的PSEL， PENABLE以及PREADY信號(hào)，這3個(gè)信號(hào)之間的關(guān)系標(biāo)志著一次transaction的開(kāi)始和結(jié)束:

PSEL從0變?yōu)?，表明要開(kāi)始一個(gè)新的transaction。

PSEL為1的第一個(gè)周期，PENABLE要為0，然后在下一個(gè)周期變?yōu)?。

當(dāng)Slave可以確保在下一個(gè)時(shí)鐘沿接受到PWDATA時(shí)，就可以把PREADY變?yōu)?。

當(dāng)Master看到PREADY為1后，就可以在下一個(gè)時(shí)鐘沿把PSEL，PENABLE拉為0，結(jié)束transaction。

注意：

PWDATA，PADDR, PWRITE需要在PSEL為高一直到PREADY為高期間都保持穩(wěn)定。

PENABLE必須要在PSEL為高的第一個(gè)周期為0（稱為setup phase)，第二個(gè)周期為1，直到PREADY為1（稱為access phase)。

如果Master想要在PREADY為高之后下一個(gè)沿立刻開(kāi)始新的transaction，可以不拉低PSEL，而使得PSEL繼續(xù)為1，但是一定要把PENABLE拉低。

然后再來(lái)看看讀的時(shí)序，其中PSEL, PENABLE, PADDR, PREADY都一致，區(qū)別只在于PWRITE要為0， 以及是由Slave來(lái)返回PRDATA，注意要和PREADY在同一個(gè)周期返回。

我們看到，APB的讀和寫不能同時(shí)進(jìn)行，每一個(gè)transaction要么是讀，要么是寫，由PWRITE來(lái)控制。每一個(gè)transaction至少需要2個(gè)周期。這兩點(diǎn)導(dǎo)致了APB在AMBA三兄弟中是最低性能的，但是好處是協(xié)議簡(jiǎn)單，Master和Slave的設(shè)計(jì)都只需要很少的邏輯。甚至在Spec里ARM都幫你畫好了狀態(tài)機(jī)（至于AHB和AXI， ARM的Spec就沒(méi)有幫你畫狀態(tài)機(jī)了，你得自己設(shè)計(jì)）。

APB通常是作為Peripheral IP的寄存器讀寫總線接口，有些IP可能年頭很久，速度很慢，所以即使給了一個(gè)周期去setup，也不能夠在第二個(gè)周期確保完成讀或?qū)?，所以slave可以選擇在沒(méi)有準(zhǔn)備好的時(shí)候不assert PREADY，插入wait cycle。咱們?cè)俜艃蓚€(gè)有wait state的時(shí)序圖。

有wait state的寫時(shí)序圖

有wait state的讀時(shí)序圖

這和valid/ready協(xié)議有點(diǎn)類似，即slave不返回PREADY，那么master就要保證PSEL, PENABLE, PADDR, PWRITE,PWDATA穩(wěn)定，直到PREADY為1。

另外還有個(gè)信號(hào)PSLVERR （apb slave error)，用于從slave向master返回transaction錯(cuò)誤，這個(gè)錯(cuò)誤可以由slave自己來(lái)定義，比如是非法地址訪問(wèn)，也可以是訪問(wèn)timeout了，slave無(wú)法在timeout到來(lái)之前返回有效的值，那么就可以返回PREADY和PSLVERR來(lái)通知master，并且避免總線鎖死。

AMB3 APB2.0又加了2個(gè)信號(hào)，PPROT和PPROB，這其實(shí)是把AHB和AXI中關(guān)于總線transaction的保護(hù)和寫操作中的按字節(jié)部分寫入的功能引入APB，咱們就不過(guò)多介紹。到AHB和AXI的時(shí)候再講。

關(guān)于APB總線協(xié)議部分就這么多，老李覺(jué)得簡(jiǎn)單到可以給剛學(xué)數(shù)字電路設(shè)計(jì)這門課的本科生拿來(lái)當(dāng)做一個(gè)小作業(yè)，然后讓大家設(shè)計(jì)一個(gè)master和slave應(yīng)該都是不錯(cuò)的嘗試。

協(xié)議介紹完了，我們今天來(lái)介紹一個(gè)小模塊：APB Slice。先說(shuō)說(shuō)Slice的作用，在SoC中，如果Master和Slave的距離比較遠(yuǎn)，那么它們之間的bus信號(hào)要滿足timing就可能有點(diǎn)困難，比如我們上面看到的PSEL, PENABLE, PADDR, PWRITE這些信號(hào)從Master出來(lái)，要去很遠(yuǎn)的Slave，那么中間就要加很多的buffer，這引入的buffer delay就可能導(dǎo)致我們希望的timing不滿足。這個(gè)時(shí)候就需要插入slice，給每個(gè)控制信號(hào)在中間加一級(jí)寄存器，把較長(zhǎng)的走線縮短。當(dāng)然插入的slice依然要保持bus的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一個(gè)slice就是下面中間的那個(gè)模塊，站在APB slave的角度，APB slice是它的master，從Slice出來(lái)的控制信號(hào)需要滿足APB的協(xié)議要求。

這里面我們一個(gè)信號(hào)一個(gè)信號(hào)來(lái)看，先來(lái)看最關(guān)鍵的PSEL

always_ff @(posedge PCLK)

if(!PRESETn)

out_PSEL <= 1'b0;

else if(out_PENABLE && out_PREADY)

out_PSEL <= 1'b0;

else if(in_PSEL && !in_PENABLE)

out_PSEL <= 1'b1;

思路很簡(jiǎn)單，當(dāng)APB slave返回了PREADY，那么transaction結(jié)束，需要out_PSEL變?yōu)?。而當(dāng)APB master拉起了in_PSEL且in_PENABLE為0時(shí)，標(biāo)志一個(gè)新的transaction開(kāi)始，需要將out_PSEL拉高。

再來(lái)看PENABLE，類似的，當(dāng)out_PSEL為1的時(shí)候，還是分setup phase和access phase，當(dāng)access phase并out_PREADY為1的時(shí)候，out_PENABLE要拉回0，out_PREADY為0的時(shí)候PENABLE要保持為1。在setup phase則需要把PENABLE拉為1。

always_ff @(posedge PCLK) begin

if(!PRESETn)

out_PENABLE <= 1'b0;

else if(out_PSEL)

if(out_PENABLE && out_PREADY)

  out_PENABLE <= 1'b0;

else if(!out_PENABLE)

  out_PENABLE <= 1'b1;

end

反過(guò)來(lái)，對(duì)于in_PREADY和in_PSLVERR，APB slice則作為APB Master的slave來(lái)返回。只有當(dāng)APB slave返回了PREADY和PSLVERR之后，APB slice才能assert in_PREADY。

always_ff @(posedge PCLK) begin

if(!PRESETn)

in_PREADY <= 1'b0;

else if(in_PREADY)

in_PREADY <= 1'b0;

else if(out_PREADY && out_PENABLE)

in_PREADY <= 1'b1;

end

always_ff @(posedge PCLK) begin

if(!PRESETn)

in_PSLVERR <= 1'b0;

else if(in_PREADY)

in_PSLVERR <= 1'b0;

else if(out_PREADY && out_PENABLE)

in_PSLVERR <= out_PSLVERR;

end

而對(duì)于剩下的PADDR, PWRITE以及PRDATA，由于slice的setup phase比master的setup phase晚一拍，那么只需啊在master的setup phase的時(shí)候寄存它們的值就行。

always_ff @(posedge PCLK)

if(in_PSEL && !in_PENABLE) begin

out_PADDR <= in_PADDR;

out_PWRITE <= in_PWRITE;

if(in_PWRITE)

 out_PWDATA <= in_PWDATA;

end

always_ff @(posedge PCLK)

if(out_PENABLE && out_PREADY && !out_PWRITE)

in_PRDATA <= out_PRDATA;

我們引入的這個(gè)slice的握手是雙向的，對(duì)于每一個(gè)從master發(fā)出的transaction，只有當(dāng)slave返回了out_PREADY之后slice才會(huì)返回給master in_PREADY，也就是說(shuō)，slice的引入使得從master的角度看出去的延時(shí)增加了一個(gè)周期，換句話說(shuō)插入了一個(gè)氣泡。這個(gè)我們之前提到過(guò)的valid/ready 的ping pong buffer可以避免氣泡還是有不同的。但是由于APB通常來(lái)說(shuō)是低速總線，對(duì)于transaction多一個(gè)周期少一個(gè)周期其實(shí)不太關(guān)心。真正需要關(guān)心性能和訪問(wèn)延遲的地方一般也不會(huì)使用APB來(lái)作為總線。所以這里引入一個(gè)周期的氣泡完全可以接受。

下一篇開(kāi)始老李會(huì)再帶領(lǐng)大家看看當(dāng)一個(gè)Master要訪問(wèn)多個(gè)slave或者多個(gè)master要同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)slave時(shí)我們需要什么樣的APB模塊來(lái)疏導(dǎo)各個(gè)transaction避免沖突。