总线协议 -- AMBA总线（一）

AMBA总线（一）

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本内容只是根据上面的资料做了整理

发展史

• AMBA 1.0
  • ASB 和 APB
• AMBA 2.0
  • AHB, ASB 和 APB
• AMBA 3.0
  • AMBA Advanced eXtensible Interface (AXI)

简介

AHB

• 高速总线，高性能
• 流水线操作
• 可支持多个总线主设备（最多16个）
• 支持burst传输
• 总线带宽：8、16、32、64、128bits
• 上升沿触发操作
• 对于一个新设计建议使用AHB

AHB 组成

• AHB 主设备（master）
  • 初始化一次读/写操作
  • 某一时刻只允许一个主设备使用总线
  • uP、DMA、DSP、LCDC …
• AHB从设备（slave）
  • 响应一次读/写操作
  • 通过地址映射来选择使用哪一个从设备
  • 外部存储器控制器EMI、APB bridge、UART、 …
• AHB仲裁器（arbiter）
  • 允许某一个主设备控制总线
  • 在AMBA协议中没有定义仲裁算法
• AHB译码器（decoder）
  • 通过地址译码来决定选择哪一个从设备

ASB

• 高速总线
• 流水线操作
• 支持多个总线主设备
• 支持burst传输
• 总线带宽：8、16、32bits
• 三态、双向总线
• （不适于做DFT）
• 下降沿或者上升沿触发

APB

• 低速总线、低功耗
• 接口简单
• 在Bridge中锁存地址信号和控制信号
• 适用于多种外设
• 上升沿触发

APB 组成

• AHB2APB Bridge
  • 可以锁存所有的地址、数据和控制信号
  • 进行二级译码来产生APB从设备选择信号
• APB总线上的所有其他模块都是APB从设备
  • 不是流水线方式
  • 接口是零功耗

AHB

AHB总线互联

基本信号

• HRESETn
  • 低电平有效
• HADDR[31:0]
  • 32位系统地址总线
• HWDATA[31:0]
  • 写数据总线，从主设备写到从设备
• HRDATA[31:0]
  • 读数据总线，从从设备读到主设备
• HTRANS
  • 指出当前传输的状态
  • NONSEQ、SEQ、IDLE、BUSY
• HSIZE
  • 指出当前传输的大小
• HBURST
  指出传输的burst类型
• HRESP
  • 从设备发给主设备的总线传输状态
  • OKAY、ERROR、RETRY、SPLIT
• HREADY
  • 高：从设备指出传输结束
  • 低电平：从设备需延长传输周期

AHB基本传输

• 两个阶段
  • 地址周期，只有一个cycle
  • 数据周期，由HREADY信号决定需要几个cycle
• 流水线传送
  • 先是地址周期，然后是数据周期

一次无需等待状态的简单传输

如果slave没有准备好？

需要两个等待周期的简单传输

根据传输规则，slave不能插入超过16个等待周期！

流水线传输

• HBURST指定了传输burst的类型，分为:
  • Single Transfer
  • 增量传输，不指定长度
  • 4-拍
  • 8-拍
  • 16-拍

如果传输过程中从设备忙碌，可以通过HREADY信号控制，但是如果主设备忙碌呢？ – 通过HTRANS控制

传输类型

• HTRANS[1:0]：控制传输类型
  • 四种类型：IDLE、BUSY、NONSEQ、SEQ
• 00：IDLE
  • 主设备占用总线，但没进行传输
  • 两次burst传输中间主设备可发IDLE
• 01：BUSY
  • 主设备占用总线，但是在burst传输过程中还没有准备好进行下一次传输
  • 一次burst传输中间主设备可发BUSY
• 10：NOSEQ
  • 表明一次单个数据的传输或者一次burst传输的第一个数据地址和控制信号与上一次传输无关
• 11：SEQ
  • 表明burst传输接下来的数据地址和上一次传输的地址是相关的

其他信号

• HWRITE

  • 高电平：写
  • 低电平：读

• HSIZE[2:0]

  • 000:8bits 100:128bits
  • 001:16bits 101:256bits
  • 010:32bits 110:513bits
  • 011:64bits 111:1024bits
  • 最大值受总线的配置所限制
  • 通常使用32bits（010）
  • HADDR的地址必须由HSIZE作为最小单位。

• HPROT[3:0]

  • HPROT[0]: OPCODE/DATA
  • HPROT[1]: USER/PRIVILGED
  • HPROT[2]: Bufferable/Non-Bufferable
  • HPROT[3]: Cacheable/Non-Cacheable

AHB 突发传输

• AHB Burst 操作

  • 4beat、8beat、16beat、单个字节传输、未定义长度的增量传输

  • 支持incrementing（增量）和wrapping两种burst传输

  • Incrementing burst

    • 地址是上一次的传输地址加1个传输单位

  • Wrapping burst

    • 例：4beat的wrapping burst 字传输（4byte）：
    • 0x34 -> 0x38 -> 0x3c -> 0x30
    • 应用场合：Cache填充

地址计算示例

根据HSIZE和HBURST来计算地址
例：起始地址是0x48，HSEZE=010(32bits)

Burst类型： INCR8

#####Burst类型： WRAP8

Burst类型：INCR4

Burst类型：WRAP4

Burst类型：未定义长度的

LDM(Load Multiple instruction) AHB Activity

多指令加载：

Burst 传输不能超过1k边界

• Burst传输不能穿越1K边界

  • 一个从设备最小的地址间隙是1KB
  • NONSEQ -> SEQ -> 1KB Boundary -> NONSEQ -> SEQ …

• 主设备不能试图开始一个可能穿越1K边界的INCR传输

地址译码

• HSELx：选择从设备

  • 指出由主设备所选择的从设备

• 由地址译码器来提供选择信号

• 一个从设备应该至少占用1KB的存储空间

• 需要一个额外的缺省从设备来映射其他的存储地址

通过地址译码来片选从设备

从设备响应

• 所访问的从设备必须响应这次传输

• 从设备可能返回的响应：

  • 完成这次传输
  • 插入等待状态（HREADY信号）
  • 发出错误信号表示这次传输失败
  • 分离传输，使得总线可用于其他传输（SPLIT）

从设备的响应信号

• HREADY：transfer done

• HRESP[1:0]：transfer response

  • 00：OKAY 成功（单周期响应）
  • 01：ERROR 失败（两周期响应）
  • 10：RETRY 传输未完成，请求主设备重新开始一个传输（两周期响应）
  • 11：SPLIT 传输未完成，请求主设备分离一次传输（两周期响应）

总线的流水特性需要从设备两个周期的响应。可以使得主设备有足够的时间处理下一次传输。

Retry 响应

可以看到，主设备在从设备忙时发送了两次传输，Retry信号跨了两个周期，第二个周期后总线开始新的一次传输。

• RETRY和SPLIT的主要区别在于仲裁的方式

  • RETRY：arbiter会继续使用通常的优先级
  • SPLIT：arbiter会调整优先级方案以便其他请求总线的主设备可以访问总线

• 总线主设备应该用同样的方式处理RETRY响应和SPLIT响应

Locked 传输

• 被锁的传输序列不能被打断

• HLOCK信号表示下一次的传输时被锁传输

  • 上图中A和B信号时被锁住的，不能分开

• ARM 处理器只在 SWP 指令中使用HLOCK

总线传输更详细的部分在下一篇中说明。