APB 基本原理

1、APB简介

APB是AMBA总线体系中的一员，因其具备低功耗、接口和控制简单的特点，广泛被运用于低带宽和不带总线的高性能外设接口，ASIC芯片中寄存器访问。

APB的传输信号只与时钟上升沿有关，故其具备以下优点：

1. 易于实现高频操作；
2. 性能与时钟占空比无关；
3. 静态时序分析简单；
4. 易于与基于上升沿的寄存器访问；
5. 易于集成到基于周期的仿真器中。

在ASIC设计中，APB作为系统中的从机，与系统中的主总线通过Bridge（AHB to APB 或 AXI to APB）连接，APB从机包含以下接口规则：

1. 整个访问中地址和控制信号有效（不分通道）；
2. 当无外设总线活动时接口功耗为零（外设总线不适用时为静态）；
3. 通过选通脉冲时序译码产生时序（无时钟接口）；
4. 整个访问过程中写数据有效（允许无毛刺透明锁存工具）。

2、APB基本原理

AMBA系统设计框图如下，其中AHB/ASB为系统中的main bus，而APB为次级bus，且AHB/ASB与APB通过BRIDGE进行桥接，APB适用于低带宽、低功耗的数据传输。

Bridge就是为了适配AHB和APB的读写操作，如果CPU需要访问UART接口，则先通过AHB总线发出读写指令，然后Bridge转成适配APB指令对UART进行读写transfer。

2.1、APB信号

名字	描述
PCLK	系统时钟。
PRESETn	复位，低电平有效。
PADDR[31:0]	地址，32bit。
PSELx	Slave选中信号。
PENABLE	APB transfer使能信号。
PWRITE	1、写操作； 0、读操作。
PRDATA	读数据，32bit。
PWDATA	写数据，32bit。

2.2、APB地址空间

图2

APB连接3个外设，分别是UART、Timers和Int Cont。APB地址空间为0xc000_0000 ~ 0xcfff_ffff，而外设的地址空间分别为0xc300_0000 ~ 0xcfff_ffff、0xc100_0000 ~ 0xc2ff_ffff和0xc000_0000 ~ 0xc000_ffff。

2.3、Transfer

2.3.1、传输状态图

APB的传输状态图由PSELx和PENABLE构成，状态：IDLE、SETUP、ENABLE，APB的访问延迟为2个clk。

注意：

1. SETUP、ENABLE状态仅保持1个clk；
2. 完成一次操作后，PENABLE必须置0；
3. 若后续没有操作，PSELx置0，否则置1。

总结：

1. 为了保证ENABLE采样的addr、data以及select是stale status，故需要两拍操作；
2. ENABLE to SETUP时，允许addr、data、select存在glith，因为只有在ENABLE状态才会采样；
3. PSELx必须早PENABLE一拍。

2.3.2、Write Transfer

PWRITE=1时，写操作。T3时刻准备稳定的data和addr。

1. T2时刻，PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE，总线无操作；
2. T3时刻，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，总线提供addr和data，供下一拍采样；
3. T4时刻，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，采样有效addr和data；
4. T5时刻，PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE，总线空闲。

2.3.3、Read Transfer

PWRITE=0时，读操作。T3时刻准备稳定的addr，T4时刻采取有效数据。

1. T2时刻，PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE，总线无操作；
2. T3时刻，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，总线提供addr和data，供下一拍采样；
3. T4时刻，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，采样有效addr和data；
4. T5时刻，PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE，总线空闲。

3、APB Bridge

APB Bridge实现AHB到APB的时序转换，系统框图如下：

1. 锁存地址并将其有效传输；
2. 解析地址产生PSELx，且PSELx只有一个有效；
3. 将数据传输到APB总线上；
4. 产生定时strobe、PENABLE。

3.1、Read Transfer

注：读操作，每次3个clk。

1. T2时刻：

AHB：HWRITE=0，ddr1有效，HREADY=1指示上一次有效操作；

APB：PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE。

1. T3时刻：

AHB：HWRITE=0，addr2有效，HREADY=0指示addr1操作未生效；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR 1-> PADDR1。

1. T4时刻：

AHB：HWRITE=0，addr2有效，HREADY=1指示addr1操作生效，PRDATA1 -> HRDATA1；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB读操作，读数据PRDATA1。

1. T5时刻：

AHB：HWRITE=0，addr3有效，HREADY=0指示addr2操作未生效；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR2 -> PADDR2。

1. T6时刻：

AHB：HWRITE=0，addr3有效，HREADY=1指示addr2操作生效，PRDATA2 -> HRDATA2；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB读操作，读数据PRDATA2。

1. T7时刻：

AHB：HWRITE=0，addr4有效，HREADY=0指示addr3操作未生效；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR3 -> PADDR3。

1. T8时刻：

AHB：HWRITE=0，addr4有效，HREADY=1指示addr3操作生效，PRDATA3 -> HRDATA3；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB读操作，读数据PRDATA3。

1. T9时刻：

AHB：HWRITE=0，HREADY=0指示addr4操作未生效；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR4 -> PADDR4。

1. T10时刻：

AHB：HWRITE=0，HREADY=1指示addr4操作生效，PRDATA4 -> HRDATA4；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB读操作，读数据PRDATA4。

3.2、Write Transfer

注：单次写操作，4个clk；Burst写操作n，4*n-2个clk。

1. T2时刻：

AHB：HWRITE=1，ddr1有效，HREADY=1指示上一次有效操作；

APB：PWRITE=x，PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE。

1. T3时刻：

AHB：HWRITE=1，addr2有效，HREADY=1指示addr1操作生效，准备HWDATA1/HADDR1；

APB：PWRITE=x，PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE。

1. T4时刻：

AHB：HWRITE=1，addr3有效，HREADY=0指示addr2操作未生效；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR 1-> PADDR1、HWDATA1 -> PWDATA1。

1. T5时刻：

AHB：HWRITE=1，addr3有效，HREADY=1指示addr2操作生效，准备HWDATA2/HADDR2；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB写操作，写入数据PWDATA1。

1. T6时刻：

AHB：HWRITE=1，addr4有效，HREADY=0指示addr3操作未生效；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR 2-> PADDR2、HWDATA2 -> PWDATA2。

1. T7时刻：

AHB：HWRITE=1，addr4有效，HREADY=1指示addr3操作生效，准备HWDATA3/HADDR3；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB写操作，写入数据PWDATA2。

1. T8时刻：

AHB：HWRITE=1，addrx有效，HREADY=0指示addr4操作未生效；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR 3-> PADDR3、HWDATA3 -> PWDATA3。

1. T9时刻：

AHB：HWRITE=1，addrx有效，HREADY=1指示addr4操作生效，准备HWDATA4/HADDR4；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB写操作，写入数据PWDATA3。

1. T10时刻：

AHB：HWRITE=1，addrx有效，HREADY=x，无操作；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR 4-> PADDR4、HWDATA4 -> PWDATA4。

1. T11时刻：

AHB：HWRITE=1，addrx有效，HREADY=x，无操作；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB写操作，写入数据PWDATA4。

3.3、Back to Back Transfer

1. T2时刻：

AHB：HWRITE=1，ddr1写有效，HREADY=1指示上一次有效操作，准备HADDR1；

APB：PWRITE=x，PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE。

1. T3时刻：

AHB：HWRITE=0，ddr2读有效，HREADY=1指示addr1操作有效，准备HWDATA1、HADDR2；

APB：PWRITE=x，PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE。

1. T4时刻：

AHB：HWRITE=1，addr3写有效，HREADY=0指示addr2操作未生效，准备HADDR3；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR 1-> PADDR1、HWDATA1 -> PWDATA1

1. T5时刻：

AHB：HWRITE=1，addr3写有效，HREADY=0指示addr2操作未生效；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB写操作，写入数据PWDATA1。

1. T6时刻：

AHB：HWRITE=1，addr3写有效，HREADY=0指示addr2操作未生效；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR 2-> PADDR2

1. T7时刻：

AHB：HWRITE=0，addr3写有效，HREADY=1指示addr2读操作生效，读取HRDATA2；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB读操作，读取数据PRDATA2。

1. T8时刻：

AHB：HWRITE=0，addr4读有效，HREADY=1指示addr3写操作生效，准备HRDATA3；

APB：PWRITE=0，PSEL=0，PENABLE=0，state=IDLE。

1. T9时刻：

AHB：HWRITE=x，addrx有效，HREADY=x无操作；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR 3-> PADDR3、HWDATA3 -> PWDATA3。

1. T10时刻：

AHB：HWRITE=x，addrx有效，HREADY=x无操作；

APB：PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB写操作，写入数据PRDATA3。

1. T11时刻：

AHB：HWRITE=x，addrx有效，HREADY=x无操作；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=0，state=SETUP，且HADDR 4-> PADDR4。

1. T12时刻：

AHB：HWRITE=x，addrx有效，HREADY=x无操作，读取PRDATA4；

APB：PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=1，state=ENABLE，APB读操作，读取数据PRDATA4。

4、总结

APB协议作为系统中的次级bus，原理简单且不支持pipeline操作，每次读写操作都是SETUP和ENABLE状态的切换，故其读写操作均消耗2个clk。APB与主bus（AHB）通过bridge互联，如果主bus支持pipeline操作且需访问APB设备，访问效率随着APB的处理而降低。在bridge设计中，pipeline写比单次写少2个clk，而pipeline读缺没有变化。