AMBA總線—ahb簡介

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AHB概述

AHB(Advanced High-performance Bus)，高性能總線的意思。該總線協(xié)議是ARM公司提出的AMBA總線結(jié)構(gòu)之一，主要用于高性能、高時鐘頻率的系統(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。它支持以下特性：

• Burst傳輸
• Split事務(wù)處理
• 單周期master移交
• 單一時鐘沿操作
• 無三態(tài)
• 更寬的數(shù)據(jù)總線配置（64/128）
• 流水線操作
• 可支持多個總線主設(shè)備（最多16個）

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AHB協(xié)議簡介

AHB2 支持多個Bus Master，例如有三個Master，有四個slave，但是同時只有一個Mater可以拿到Bus的訪問權(quán)。所以，總線的使用權(quán)就需要Master去申請，也就需要一個仲裁器（Arbiter）。同時也支持突發(fā)傳輸，分段傳輸，字節(jié)、半字節(jié)和字的傳輸，也可配置總線位寬。

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)。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)則由仲裁器(arbiter)、主模塊到從模塊的Mux、從模塊到主模塊的Mux、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。

AHB2協(xié)議要求Slave 的地址空間至少是以1KB為單位，這個要求在AHB-lite也存在。

AHB-lite是AMBA 3，在AHB2的基礎(chǔ)上互連邏輯和slave設(shè)計上做了簡化，為單Bus Master設(shè)計的（低端MCU的SoC系統(tǒng)使用的Bus master個數(shù)相對比較少）。

當(dāng)然AHB3系統(tǒng)也是有辦法實現(xiàn)支持多個Master的，多個Mater連接到一個MUX輸入，slave連接該MUX輸出，相當(dāng)于一個簡單的仲裁器。MUX 也可以只連接其中一個Master，這樣其他Master就無法訪問MUX連接的Slave，相當(dāng)于該Slave就是連接到MUX上 的Master私有Slave，如下圖：

AHB5是AMBA 5，在2015年發(fā)布，在AHB-lite的基礎(chǔ)上增加功能，支持secure/non-sucure，配合v8系列架構(gòu)的處理器，引入trustzone機制。

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AHB信號描述

下表給出了AHB的基本信號：

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AHB傳輸

AHB傳輸分為以下幾個部分：

• 主機獲取總線使用權(quán)：主機向判決器發(fā)送總線請求信號，判決器發(fā)送應(yīng)答后主機可以開始傳輸
• 數(shù)據(jù)傳輸：主機向從機傳輸數(shù)據(jù)，分為以下兩個部分：
  • 發(fā)送地址和控制信號：包括地址，位寬，突發(fā)類型（增量突發(fā)和回卷突發(fā)）等控制信號，僅一個時鐘周期
  • 數(shù)據(jù)傳輸：進行數(shù)據(jù)交換，一個或多個時鐘周期
• 從機應(yīng)答：從機通過HRESP和HREADY標(biāo)記完成狀態(tài)，對于HRESP，有以下狀態(tài)：
  • OKAY：標(biāo)記傳輸完成，當(dāng)HRESP為該狀態(tài)且HREADY拉高時，傳輸完成
  • ERROR：標(biāo)記傳輸出錯
  • RETRY和SPLIT：標(biāo)記傳輸未完成，主設(shè)備仍需要占用總線

關(guān)于突發(fā)傳輸，理論上進行突發(fā)傳輸?shù)闹髟O(shè)備應(yīng)當(dāng)一直占據(jù)總線，但是為了縮短等待時間，AHB允許打斷突發(fā)傳輸，并在一段時間后重啟該突發(fā)傳輸。AHB的基本傳輸過程由兩個部分組成：

• 地址/控制傳輸：傳輸?shù)刂?a target="_blank">信息和控制信息，僅占一個時鐘周期
• 數(shù)據(jù)傳輸：可能需要多個時鐘周期，由信號HREADY決定（拉高才結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸）

1. 無等待傳輸

無等待傳輸下，一個傳輸與三個時鐘沿有關(guān)：

• 第一個時鐘沿：第一個時鐘沿后，主機將地址信息和控制信息發(fā)送到總線上

• 第二個時鐘沿：第二個時鐘沿上，從機采樣主機的地址信息和控制信息。第二個時鐘沿后，從機將響應(yīng)信號和數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上

• 第三個時鐘沿：主機采樣從機響應(yīng)信號和數(shù)據(jù)，傳輸完成

  2. 有等待傳輸

有等待傳輸下，數(shù)據(jù)傳輸階段可以擴展，即在HREADY拉高之前，數(shù)據(jù)傳輸階段不結(jié)束。要求寫數(shù)據(jù)在HREADY拉高前保持穩(wěn)定，主機在HREADY拉高后采樣讀數(shù)據(jù)

3. 流水線傳輸

AHB總線支持流水線傳輸，即將傳輸分為地址-數(shù)據(jù)兩個部分流水進行，本次傳輸?shù)牡刂繁厝辉谏弦淮蔚刂分?，本次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必定緊跟在本次傳輸?shù)刂分蟆Ｒ虼?，?dāng)上一次的數(shù)據(jù)傳輸阻塞導(dǎo)致傳輸周期增加時，下一傳輸?shù)牡刂分芷谝矔鄳?yīng)的變長：

• A1和C1為第一次傳輸?shù)牡刂泛涂刂菩盘?/li>
• WD1和RD1是第一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，該傳輸為單時鐘即無阻塞的傳輸，同時發(fā)送的還有下一次傳輸?shù)牡刂泛涂刂菩盘枺篈2和C2
• 第二次傳輸為多周期傳輸，因此WD2和RD2占據(jù)多個時鐘周期，對應(yīng)的，同時發(fā)送的第三次傳輸?shù)刂泛涂刂菩臕3和C3也被延遲相同的時鐘周期數(shù)
• WD3和RD3為第三次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

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傳輸類型

傳輸類型使用端口HTRANS標(biāo)記，有以下取值：

• IDLE（00）：標(biāo)志主機占有AHB總線，但是沒有數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生。從機需要使用OKAY狀態(tài)回應(yīng)該類型
• BUSY（01）：標(biāo)志主機占有AHB總線并在進行突發(fā)傳輸，但下一個傳輸不能立刻發(fā)生。從機需要使用OKAY狀態(tài)回應(yīng)
• NONSEQ（10）：標(biāo)志主機當(dāng)前發(fā)送的地址和控制信號與上一次傳輸無關(guān)（單次傳輸就是該狀態(tài)）
• SEQ（11）：標(biāo)記主機處于突發(fā)傳輸?shù)闹虚g部分，即當(dāng)前發(fā)送的地址和控制信號與上一次地址和控制信號有關(guān)

例子如下圖所示：

• 第一次傳輸，開啟一次突發(fā)傳輸，因此該地址與上一次傳輸無關(guān)，使用類型NONSEQ
• 第二次傳輸，無法立刻進行傳輸，因此使用BUSY標(biāo)記延遲一個周期，延遲后可以進行傳輸，且處于突發(fā)傳輸中，因此地址與上一次地址有關(guān)，使用SEQ標(biāo)記
• 之后均為突發(fā)傳輸，均使用SEQ類型

1. 突發(fā)類型

突發(fā)傳輸分為兩類：

• 增量突發(fā)：傳輸過程中傳輸?shù)刂愤f增。下一次傳輸?shù)牡刂肥巧弦淮蔚刂芳由弦粋€增量
• 回卷突發(fā)：猝發(fā)的地址范圍被限制在一個固定范圍之內(nèi)，傳輸?shù)刂愤f增，若是超出則回到地址范圍的開始的地址。例如從0x34進行增量為4，范圍為16的回卷突發(fā)，地址順序為0x34、0x38、0x3c，0x30

突發(fā)類型使用字段HBURST標(biāo)記，含義如下表所示：

注意一次突發(fā)傳輸不能跨越1kB的地址區(qū)間，且傳輸?shù)钠鹗嫉刂繁仨毰c數(shù)據(jù)類型對應(yīng)，例如傳輸字?jǐn)?shù)據(jù)的二進制起始地址必須滿足后兩位為00。

2. 突發(fā)終止

從機通過監(jiān)控HTRANS發(fā)現(xiàn)突發(fā)傳輸?shù)慕K止：

• 若下一個HTRANS標(biāo)記為BUSY或SEQ：突發(fā)傳輸未終止
• 若下一個HTRANS標(biāo)記為NONSEQ或IDLE：上一次突發(fā)傳輸已經(jīng)終止

若突發(fā)傳輸是提前終止的，如總線控制權(quán)被剝奪，那么主機需要在可以進行傳輸時重建突發(fā)傳輸。例如一個4拍傳輸僅發(fā)送了一拍就終止，主機需要使用INCR類型的突發(fā)構(gòu)建3拍傳輸以重建。

3. 數(shù)據(jù)總線

當(dāng)傳輸位寬不同時，數(shù)據(jù)總線的使用情況如下所示（小端傳輸）：