ARM總線方面知識

隨著深亞微米工藝技術日益成熟，集成電路芯片的規模越來越大。數字IC從基于時序驅動的設計方法，發展到基于IP復用的設計方法，并在SOC設計中得到了廣泛應用。在基于IP復用的SoC設計中，片上總線設計是最關鍵的問題。為此，業界出現了很多片上總線標準。其中，由ARM公司推出的AMBA片上總線受到了廣大IP開發商和SoC系統集成者的青睞，已成為一種流行的工業標準片上結構。AMBA規范主要包括了AHB(Advanced High performance Bus)系統總線和APB(Advanced Peripheral Bus)外圍總線。

AMBA片上總線

AMBA 2.0規范包括四個部分：AHB、ASB、APB和Test Methodology。AHB的相互連接采用了傳統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。下面將簡要介紹比較重要的AHB和APB總線。

基于AMBA的片上系統

一個典型的基于AMBA總線的系統框圖如圖３所示。

大多數掛在總線上的模塊(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的模塊，如片上的RAM，AHB／APB橋等。另外，還有一些模塊同時具有兩種屬性，例如直接存儲器存取(DMA)在被編程時是從模塊，但在系統讀傳輸數據時必須是主模塊。如果總線上存在多個主模塊，就需要仲裁器來決定如何控制各種主模塊對總線的訪問。雖然仲裁規范是AMBA總線規范中的一部分，但具體使用的算法由RTL設計工程師決定，其中兩個最常用的算法是固定優先級算法和循環制算法。AHB總線上最多可以有16個主模塊和任意多個從模塊，如果主模塊數目大于16，則需再加一層結構(具體參閱ARM公司推出的Multi-layer AHB規范)。APB橋既是APB總線上唯一的主模塊，也是AHB系統總線上的從模塊。其主要功能是鎖存來自AHB系統總線的地址、數據和控制信號，并提供二級譯碼以產生APB外圍設備的選擇信號，從而實現AHB協議到APB協議的轉換。

AHB簡介

AHB主要用于高性能模塊(如CPU、DMA和DSP等)之間的連接，作為SoC的片上系統總線，它包括以下一些特性：單個時鐘邊沿操作；非三態的實現方式；支持突發傳輸；支持分段傳輸；支持多個主控制器；可配置32位~128位總線寬度；支持字節、半字節和字的傳輸。AHB系統由主模塊、從模塊和基礎結構(Infrastructure)3部分組成，整個AHB總線上的傳輸都由主模塊發出，由從模塊負責回應。基礎結構則由仲裁器(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。其互連結構如圖1所示。

APB簡介

APB主要用于低帶寬的周邊外設之間的連接，例如UART、1284等，它的總線架構不像AHB支持多個主模塊，在APB里面唯一的主模塊就是APB橋。其特性包括：兩個時鐘周期傳輸；無需等待周期和回應信號；控制邏輯簡單，只有四個控制信號。APB上的傳輸可以用如圖２所示的狀態圖來說明。

1)系統初始化為IDLE狀態，此時沒有傳輸操作，也沒有選中任何從模塊。
2)當有傳輸要進行時，PSELx＝1，PENABLE＝0，系統進入SETUP狀態，并只會在SETUP狀態停留一個周期。當PCLK的下一個上升沿時到來時，系統進入ENABLE狀態。
3)系統進入ENABLE狀態時，維持之前在SETUP狀態的PADDR、PSEL、PWRITE不變，并將PENABLE置為1。傳輸也只會在ENABLE狀態維持一個周期，在經過SETUP與ENABLE狀態之后就已完成。之后如果沒有傳輸要進行，就進入IDLE狀態等待；如果有連續的傳輸，則進入SETUP狀態。

AXI（Advanced eXtensible Interface）是一種總線協議，該協議是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）3.0協議中最重要的部分，是一種面向高性能、高帶寬、低延遲的片內總線。它的地址/控制和數據相位是分離的，支持不對齊的數據傳輸，同時在突發傳輸中，只需要首地址，同時分離的讀寫數據通道、并支持Outstanding傳輸訪問和亂序訪問，并更加容易進行時序收斂。AXI 是AMBA 中一個新的高性能協議。AXI 技術豐富了現有的AMBA 標準內容，滿足超高性能和復雜的片上系統（SoC）設計的需求。