CPU总线浅学之AMBA

AMBA总线浅学

随着深亚微米工艺技术日益成熟，集成电路芯片的规模越来越大。数字IC从基于时序驱动的设计方法，发展到基于IP复用的设计方法，并在SOC设计中得到了广泛应用。在基于IP复用的SoC设计中，片上总线设计是最关键的问题。为此，业界出现了很多片上总线标准。其中，由ARM公司推出的AMBA片上总线受到了广大IP开发商和SoC系统集成者的青睐，已成为一种流行的工业标准片上结构。

1 AMBA协议的演进

● AMBA 1只有ASB和APB协议；
● AMBA 2引入AHB协议用于高速数据传输；
● AMBA 3，为适应高吞吐量传输和调试引入AXI和ATB，增加高级可扩展接口，而AHB协议缩减为AHB-lite，APB协议增加了PREADY和PSLVERR，ASB由于设计复杂而不再使用；
● AMBA 4，AXI得到了增强，引入QOS和long burst的支持，根据应用不同可选AXI4，AXI4-lite，AXI4-stream，同时为满足复杂SOC的操作一致性引入ACE和ACE-lite协议，APB和ATB也同时得到增强，比如APB加入了PPROT和PSTRB，另外为改善总线数据传输引入QVN协议；
● 适应更加复杂的高速NOC设计，引入环形总线协议，推出的AMBA CHI协议。

2 AMBA 1

V1.0 ASB、APB是第一代AMBA协议的一部分。主要应用在低带宽的外设上，如UART、 I2C，它的架构不像AHB总线是多主设备的架构，APB总线的唯一主设备是APB桥（与AXI或APB相连），因此不需要仲裁一些Request/grant信号。APB的协议也十分简单，甚至不是流水的操作，固定两个时钟周期完成一次读或写的操作。其特性包括：两个时钟周期传输，无需等待周期和回应信号，控制逻辑简单，只有四个控制信号。传输可用如下状态图表示，

● 系统初始化为IDLE状态，此时没有传输操作，也没有选中任何从模块。
● 当有传输要进行时，PSELx=1，PENABLE=0，系统进入SETUP状态，并只会在SETUP 状态停留一个周期。当PCLK的下一个上升沿时到来时，系统进入ENABLE 状态。
● 系统进入ENABLE状态时，维持之前在SETUP 状态的PADDR、PSEL、PWRITE不变，并将PENABLE置为1。传输也只会在ENABLE状态维持一个周期，在经过SETUP与ENABLE状态之后就已完成。之后如果没有传输要进行，就进入IDLE状态等待；如果有连续的传输，则进入SETUP状态。

3 AMBA 2

**V2.0 AHB是第二代AMBA协议最重要的一部分。**AHB总线规范是AMBA总线规范的一部分，AMBA总线规范是ARM公司提出的总线规范，被大多数SoC设计采用，它规定了AHB (Advanced High-performance Bus)、ASB (Advanced System Bus)、APB (Advanced Peripheral Bus)。AHB用于高性能、高时钟频率的系统结构，典型的应用如ARM核与系统内部的高速RAM、NAND FLASH、DMA、Bridge的连接。APB用于连接外部设备，对性能要求不高，而考虑低功耗问题。ASB是AHB的一种替代方案。

相比于APB，区分了地址周期和数据周期。

AHB总线强大之处在于它可以将微控制器（CPU）、高带宽的片上RAM、高带宽的外部存储器接口、DMA总线控制器，以及各种AHB接口的控制器等连接起来构成一个独立的完整SOC系统，还可以通过AHB-APB桥来连接APB总线系统。

AHB总线由主设备Master、从设备Slave，内部包括仲裁器，译码器，数据多路和地址控制多路组成。
● 主设备发起一次读/写操作，某一时刻只允许一个主设备使用总线；
● 从设备响应一次读/写操作，通过地址映射选择使用哪一个从设备；
● 仲裁器允许某一个主设备控制总线；
● 译码器通过地址译码决定选择哪一个从设备。

3.1 仲裁机制

仲裁机制保证了任意时刻只有一个master可以接入总线。arbiter决定哪个发出接入请求的master可以接入总线，这通过优先级算法实现。AHB规范并没有给出优先级算法，设计者需要根据具体的系统要求定义。一般情况下arbiter不会中断一个burst传输，将总线接入权让给其他master。当然未定义长度的burst传输是可以打断的，这要看优先级算法是如何规定的。如果一笔burst被打断，master再度获得接入权限时，会传递剩余的部分。如一笔长度为INCR8的传输在传递3 beat后被打断，master再次获得接入授权后，会继续传输剩余的5 beat，剩余部分可以由一个SINGLE和一个INCR4组成，或者一个INCR。

3.2 地址译码器

地址译码器用于为总线上每个slave提供选择信号HSELx，选择信号是通过组合逻辑对地址码译码产生的。只有当前的数据传输完成后（HREADY为高），slave才会采样地址和控制信号以及HSELx。在一定条件下可能会出现这样的情况：产生HSELx信号而HREADY为低，在当前传输后slave会改变。每个slave最小的地址空间为1KB，所有的master的burst传输上限也是1KB，如此设计保证了不会出现地址越界问题。当一个设计不会用到所有的地址空间时，可能出现访问到一个不存在的地址的情况，这就需要增加一个附加的默认slave来为上面的情况提供一个响应。当SEQ或NONSEQ传输访问到一个不存在的地址，默认slave应该提供ERROR响应；当IDLE或BUSY传输访问到一个不存在的地址，默认slave会响应OKAY。地址译码器会带有实现默认slave的功能。

3.3 信号描述

HRESP[1:0] 响应信号
传输响应HRESP[1:0]
● 00: OKAY
● 01: ERROR
● 10: RETRY
传输未完成，请求主设备重新开始一个传输，arbiter会继续使用通常的优先级
● 11: SPLIT
传输未完成，请求主设备分离一次传输，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

3.4 AHB仲裁信号

4 AMBA 3

V3.0 AXI（Advanced eXtensible Interface）是一种总协议，该协议是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）3.0协议中最重要的部分。
● 高性能、高带宽、低延迟的片内总线。
● 地址/控制和数据相位是分离的，分离的读写数据通道。控制和数据通道分离，就可以不等需要的操作完成，就发出下一个操作，流水线操作，数据吞吐量增加达到提速的作用。
● 单向通道体系结构，使得片上信息流只是以单方向传输，减少了延时，更小的面积，更低的功耗，获得优异的性能。

4.1 AXI的五个通道

● 读地址通道，包含ARVALID, ARADDR, ARREADY信号；
● 写地址通道，包含AWVALID，AWADDR, AWREADY信号；
● 读数据通道，包含RVALID, RDATA, RREADY, RRESP信号；
● 写数据通道，包含WVALID, WDATA，WSTRB, WREADY信号；
● 写应答通道，包含BVALID, BRESP, BREADY信号；
● 系统通道，包含：ACLK，ARESETN信号；
ACLK为axi总线时钟，ARESETN是axi总线复位信号，低电平有效；读写数据与读写地址类信号宽度都为32bit；READY与VALID是对应的通道握手信号；WSTRB信号为1的bit对应WDATA有效数据字节，WSTRB宽度是32bit/8=4bit；BRESP与RRESP分别为写回应信号，读回应信号，宽度都为2bit，‘h0代表成功，其他为错误。

4.2 握手机制

每个channel内的valid和ready之间没有严格的先后顺序，但是channel间的valid和ready信号有依赖关系。对于读操作，spec要求读data必须出现在读addr之后，因此读操作的两个channel之间存在如下的依赖关系，即必须等到ARVALID的ARREADY同时为High后，RVALID才能拉高。

对于写操作，addr和data两个channel之间不存在依赖关系，但是只能等最后一次transfer结束后，才能拉高BVALID。从下图中看不出AWVLAID, AWREAY与BVALID之间的关系，但是，隐含条件是slave只有接收到addr和data后，才能做出响应，因此AWAVLID， AWREADY为High，且最后一次transfer结束后才能拉高BVALID。

5 AMBA 4

AXI4 是第四代AMBA协议重要的一部分，AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-streamAXI4.0-lite是AXI的简化版本，ACE4.0 是AXI缓存一致性扩展接口，AXI4.0-stream是ARM公司和Xilinx公司一起提出，主要用在FPGA进行以数据为主导的大量数据的传输应用。
适合高带宽低延时设计，无需复杂的桥就实现高频操作，向下兼容已有的AHB和APB接口。
● 分离地址/控制、数据相位
● 分离的读写数据通道，提供低功耗DMA
● 使用字节线支持非对齐的数据传输
● 使用基于burst的传输，只需传输首地址
● 支持多种传输方式，支持乱序传输
● 允许容易的添加寄存器来进行时序收敛
AXI架构分为5个独立的传输通道，读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道、写响应通道。基于VALID/READY的握手机制数据传输协议，传输源端使用VALID表明地址/控制信号、数据是有效的，目的端使用READY表明自己能够接受信息。数据总线可为（8/16/32/64/128/256/512/1024bit），最大为单次传输一个字节的数据。

6 AMBA总线的性能对比分析