AHB总线和VIP介绍总结
AHB总线和VIP总结介绍
- 一、AHB总线介绍
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- 1.1 总线概述
- 1.2 总线特性
- 1.3 总线信号
- 1.4 burst地址计算
- 1.5 总线传输
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- 1.5.1 单次传输
- 1.5.2 burst传输
- 1.5.3 等待传输
- 二、AHB vip的安装和使用
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- 2.1 安装步骤
- 2.2 vip的使用和修改
- 2.2 仿真结果和分析
一、AHB总线介绍
1.1 总线概述
AHB总线用于性能要求比较高的系统互联，比如内部memory、高宽带的外设、GMAC和SD等，但仍然为分时独占式总线，也就是说一个时间点总线只会完成一个传输事件。下图是一个简单的AHB总线互联的例子：
Manager:总线的Master设备
Subordinate:总线的Slave设备
Decoder:地址译码器用于将Master发送的地址转换成合适的sel选择信号
多路选择器：将各个Slave的输出数据合理的选择给Master。
目前最新的AHB总线版本为AHB5和AHB-Lite,对于只有一个Master的总线，结构简化很多，因此可单独使用AHB-Lite协议。
1.2 总线特性
- 支持burst传输
- 单时钟边沿触发操作
- 非三态门实现
- 总线带宽：64/128/256/1024bits
1.3 总线信号
| 信号 | 源/方向 | 位宽 | 信号 |
|---|---|---|---|
| HCLK | 全局变量 | 1 | 时钟，上升沿数据有效 |
| HRESETn | 全局变量 | 1 | 复位，低有效，该信号可直接和系统总线复位连接 |
| HADDR | Master输出 | MAX=64 | AHB总线地址，最大64bits |
| HBURST | Master输出 | MAX=3 | 传输数据的个数 |
| HMASTLOCK | Master输出 | 1 | 锁定Master传输，锁定期间传输无法打断 |
| HPROT | Master输出 | 0/4/7 | 保护控制信号，用于指示本次传输类型 |
| HSIZE | Master输出 | 3 | 指示每次传输数据的大小 |
| HNONSEC | Master输出 | 1 | 指示当前传输是否安全 |
| HEXCL | Master输出 | 1 | 指示该传输是否为独占传输（Exclusive Access） |
| HMASTER | Master输出 | MAX=8 | 指示当前是哪个Master发起的传输，每个Master有一个唯一的HMASTER ID |
| HTRANS | Master输出 | 2 | 指示传输类型，有四种类型：IDLE、BUSY、NONSEQ、SEQ |
| HWATA | Master输出 | MAX=1024 | 写数据，最大位宽支持1024bits，建议在32bits-256bits之间 |
| HWSTRB | Master输出 | MAX=128 | 写数据字节使能，位宽为HWDATA的位宽除以8 |
| HWRITE | Master输出 | 1 | 读写指示信号，“1”为写，“0”为读 |
| HRDATA | Slave输出 | MAX=1024 | 读数据，最大位宽支持1024bits，建议在32bits-256bits之间 |
| HREADYOUT | Slave输出 | 1 | Slave端设备准备就绪信号 |
| HRESP | Slave输出 | 1 | Slave端设备的应答信号，表明当前传输是否成功，“1”错误 |
| HEXOKAY | Slave输出 | 1 | 表示独占传输（Exclusive Transfer)是否成功 |
| HSELx | Slave输出 | 1 | Slave设备选择信号，用法和APB的PSEL类似。当该Slave被选中进行传输时，该信号必须和地址、控制信号在同一拍有效 |
| HREADY | Slave输出 | 1 | 该信号由总线内部产生，用于通知Master和Slave上次传输已经结束，总线已经准备就绪开始下一次传输 |
- HTRANS[1:0]:表示数据传输类型
| HTRANS[1:0] | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 00 | IDLE | IDLE表示没有数据传输，Master使用IDLE来表示非数据传输，一般用IDLE传输终止一次locked传输。Slave必须立即响应Master发送的IDLE传输，并将OKAY应答到HRESP上，传输内容Slave必须忽略 |
| 01 | BUSY | BUSY传输允许在Burst传输的中间插入空闲周期，以表示Master会继续burst但下一次传输不能立即发送。当Master使用BUSY传输时，下一次传输的地址和控制信号必须准备好。只有未定义长度的Burst可以在Burst结束的时候插入BUSY传输标志。Slave必须立即响应BUSY传输，并将内容忽略。 |
| 10 | NONSEQ | NONSEQ用于指示一次Single传输，或一次burst传输的开始。地址和控制信号和前一次传输无关。总线上的单次传输被视为长度为1的突发事件，因此传输类型是非顺序的 |
| 11 | SEQ | Burst传输的剩余部分被标记为SEQ,表示连续传输，地址和控制信号和前一次保持一致。该地址等于前一次传输的地址加上传输大小，以字节为单位，传输大小由HSIZE[2:0]信号决定。 |
- HBURST[2:0]:传输数据的个数
| HBURST[2:0] | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 000 | SINGLE | 单次传输 |
| 001 | INCR | 未定义长度的增量Burst传输 |
| 010 | WRAP4 | 4拍回环Burst传输 |
| 011 | INCR4 | 4拍增量Burst传输 |
| 100 | WRAP8 | 8拍回环Burst传输 |
| 101 | INCR8 | 8拍增量Burst传输 |
| 110 | WRAP16 | 16拍回环Burst传输 |
| 111 | INCR16 | 16拍增量Burst传输 |
根据上表可以看出，传输可以分为SINGLE、INCR和WRAP类型，每种又按照每次Burst节拍数分为不同情况。一拍为Burst传输的最小传输单位。INCR burst的每次传输的地址是连续的，且每次传输的地址数值相较于上一次是递增的。WRAP burst在地址增加到地址边界时，地址会返回到最开始的地址。地址边界根据拍数和传输大小计算，HBURST和HSIZE确定总传输数据量大小。例如，一个WRAP4传输4bytes数据，如果开始地址位0x34,那么4拍的数据地址为0x34,0x38,0x3C和0x30。
单次传输可以使用SINGLE标识，或使用未定义大小的INCR标识，一般使用SINGLE标识。
- HSIZE[2:0]:传输数据的位宽
| HSIZE[2:0] | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 000 | Byte | 8bits,传输一个字节 |
| 001 | Halfword | 16bits,传输半个字 |
| 010 | Word | 32bits,传输一个字 |
| 011 | DoubleWord | 64bits,传输两个字 |
| 100 | 4 Words | 128bits,传输四个字 |
| 101 | 8 Words | 256bits,传输八个字 |
| 110 | 16 Words | 512bits,传输十六个字 |
| 111 | 32 Words | 1024bits,传输三十二个字 |
HSIZE用于表示单次数据传输的大小，其数值等于数据位宽，比如数据宽度是32bits,那么HSIZE只能是000/001/010三个数值。在Burst传输过程中，该数值必须保持不变。
- HPROT3:0：提高给外设一定级别的保护
| HPORT[3:0] | 说明 |
|---|---|
| [0] | 0:Opcode fetch 1:Data access |
| [1] | 0:User access 1:Privileged access |
| [2] | 0:Non-bufferable 1:Bufferable |
| [3] | 0:Non-cacheable 1:Cacheable |
- HPROT6:0
| HPORT[6:0] | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| [0] | Data/Inst | 0:Opcode fetch 1:Data access |
| [1] | Privileged | 0:unprivileged access 1:Privileged access |
| [2] | Bufferable | 如果[4:3]均无效的话，那么该bit位生效: 0：No-bufferable,写响应必须由最终的目的地址提供，而不是中间的buffer。1：Bufferable,写响应可由中间经过的节点提供，但需要及时传递写传输到目的端。 |
| [3] | Modifiable | 0:传输的数据不可纠正修改 1:传输的数据等可纠正修改 |
| [4] | Lookup | 0:传输不需要查找cache,且必须传递到目的端 1:传输必须查找cache |
| [5] | Allocate | 0:传输不会分配到cache;1:传输分配到cache |
| [6] | Shareable | 0:传输不可共享，访问的memory区域不能被其他Master访问，访问的应答不会确保被其他Master可见。Device类型位memory,该bit为0；1:传输时可以共享，访问的memory区域可以被其他Master访问。 |
对于Memory类型，可通过HPROT[6:2]判断memory类型，具体如下表表示：
| HPROT[6] | HPROT[5] | HPROT[4] | HPROT[3] | HPROT[2] | Memory类型 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Device-nE |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | Device-E |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | Normal Non-cacheable,non-shareable |
| 0 | 0/1 | 1 | 1 | 0 | Write-through,Non-shareable |
| 0 | 0/1 | 1 | 1 | 1 | Write-back,Non-shareable |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | Normal Non-cacheable,shareable |
| 1 | 0/1 | 1 | 1 | 0 | Write-through,shareable |
| 1 | 0/1 | 1 | 1 | 1 | Write-back,shareable |
- 用户信号
| 信号 | 方向 | 说明 |
|---|---|---|
| HAUSER | Master->总线 | 用户自定义，推荐宽度0-128bits |
| HWUSER | Master->总线 | 用户自定义，推荐宽度0-DATA_WIDTH/2 |
| HRUSER | Slave->总线 | 用户自定义，推荐宽度0-DATA_WIDTH/2 |
| HBUSER | Slave->总线 | 用户自定义，推荐宽度0-16bits |
该组信号为用户自定义信号，具体传输内容和含义需要用户自己定义，一般不建议使用改组信号。AHB协议不定义这些信号的功能，因此，在多个拥有用户自定义信号的系统中，可能会带来信号不兼容的问题。
1.4 burst地址计算
INCR和WRAP burst地址计算方式分析：
首先，需要了解的是INCR和WRAP地址的突发步长都是根据HSIZE[2:0]来决定，以字节为单位，例如HSIZE=0(8bits/一个字节)，则地址突发的步长就是1；如果HSIZE=2（32bits/word=4个Bytes)，则地址的突发步长为4。
以WRAP4举例，假设HSIZE=2(4Bytes),那么总的传送大小为4*4=16Bytes。同时，假设起始地址为0x38,那么WRAP4的地址变化如下：0x38,0x3C,0x30,0x34,那么问题就来了，0x3C+0x4(步长)=0x40,为什么会变成0x30呢？
位置计算，将当前的位置与总的传送大小相除:
(1)若除数不为0，则当前的位置保持不变；
(2)若除数为0，则将当前的位置减去总的传送大小后的结果，为当前的位置。
根据上面的计算原则，当0x3C加上0x4(步长）为0x40(64),64可以被16整除，所以当前位置变为64-16=48（0x30)
注意：如果起始地址是0x40,是不需要编程0x30的，当前地址就是0x40
1.5 总线传输
AHB传输分成两个阶段：地址阶段和数据阶段。地址阶段HWRITE、HADDR等控制信号等控制信号同一拍有效，数据阶段HWDATA、HRDATA等和数据相关的信号有效，表示数据读写开始，数据阶段可能会跨越多个HCLK时钟周期。
1.5.1 单次传输
- AHB单次读传输
- AHB单次写传输
需要注意的是，如果进行多次连续传输，地址阶段和数据阶段是可以pipeline的，可以在A的数据阶段，启动下一次传输的地址阶段。
1.5.2 burst传输
- AHB INCR4传输
- AHB WRAP4传输
- AHB INCR传输
- 第一次burst传输从地址0x20开始，包含两次半字写传输。这次的传输的地址是增加2。
- 第二次burst传输从地址0x5C开始，包含三次字读传输。这次的传输地址增加4。
其他burst传输类型请查阅最后的参考文档。
1.5.3 等待传输
如果需要提供更多的时间或者采样数据，Slaves可以用HREADYOUT去插入等待。在等待传输过程中，master有以下几种情况限制被改变：
- 等待过程中传输类型改变
当Slave要求等待时，master必须不能改变传输类型，除了以下几种情况：
- IDLE传输
在等待传输过程中，master允许传输类型从IDLE到NONSEQ。当HTRANS传输类型变为NONSEQ,master必须必须保持HTRAN不变，知道HREADY位高。
从上图中可以看出:
T0-T1: master在地址A处启动一个SINGLE burst传输
T1-T2: master在地址Y处启动一个IDLE传输
slave将HREADYOUT拉低插入一个IDLE传输
T2-T3: master在地址Z处启动一个IDLE传输
T3-T4: master改变传输类型为NONSEQ,并在地址B启动INCR4传输
T4-T6: HREADY为低，master必须保持HTRANS不变
T5-T6: HREADY为高，地址A的SINGLE burst传输完成，同时地址B开始第一拍的传输
T6-T7: 地址B的INCR4第一拍传输完成，同时master开始下一个拍B+4地址的传输
2. BUSY传输，固定长度burst
在固定长度的等待传输过程中，master允许改变传输类型从BUSY到SEQ。当HTRANS传输类型变为SEQ，master必须保持HTRANS不变，直到HREADY为高。
因为BUSY传输必须只插入到一个突发的连续节拍之间，所以这并不适用于单个突发。因此，这种情况适用于以下突发类型:
INCR4,INCR8,INCR16,WRAP4,WRAP8,WRAP16
从上图可以看出：
T0-T1: master从地址0x24启动一个INCR4的突发传输
T1-T3: master在地址0x28插入BUSY传输
slave插入等待状态并且HREADY=0
T3-T4: master改变传输类型为SEQ，并且下一节拍启动地址0x28地址的突发
T4-T6: 因为HREADY=0,master必须保持HTRANS保持不变
T5-T6: 0x24地址的突发完成同时HREADY=1
T6-T7: INCR4传输的0x28地址完成并且master开始地址0x2C的突发传输
3. BUSY传输，不固定长度burst
在不固定长度的（INCR）等待传输，当HREADY=0时，master允许从BUSY到其他传输任何类型的改变。如果执行了SEQ传输，则突发继续，但如果执行了IDLE或NONSEQ传输，则突发终止。
从上图可以看出：
T0-T1: master在0x64地址启动一个INCR突发
T1-T3: master在地址0x68插入BUSY传输
slave插入等待状态并且HREADY=0
T3-T4: master改变传输类型为NONSEQ同时在地址0x10启动一个新的突发
T4-T6: HREADY=0,master必须保持HTRANS不变
T5-T6: HREADY=1,完成不定长度的突发，并且master开始0x10地址第一节拍
T6-T7: 地址0x10的INCR4传输的完成同时master开始地址0x14的传输
- 等待状态地址改变
当slave请求等待状态时，master在一下情况下，仅能改变地址一次：在IDLE传输中、在ERROR响应之后
- 在IDLE传输
在等待传输过程中，master允许在IDLE传输过程中改变地址。当HTRANS传输类型改变为NONSEQ,master必须保持地址不变，直到HREADY=1。
T0-T1: master在地址A开始SINGLE突发
T1-T2: master在地址Y插入IDLE传输
slave插入等待状态并且HREADY=0
T2-T3: master在地址Z插入一个IDLE传输
T3-T4: master改变传输类型为NONSEQ并且在地址B开始INCR4传输。直到HREADY=1,不运行更待地址。
T5-T6: HREADY=1,地址A的SINGLE突发完成。并且master开始地址B突发传输。
T6-T7: 地址B的INCR4突发传输完成并且master开始地址B+4的传输
2. ERROR响应之后
在等待传输之后，如果slave有ERROR响应，那么当HREADY=0,master允许改变地址。
二、AHB vip的安装和使用
2.1 安装步骤
本文使用的synopsys家的AMBA总线vip，以AHB为例，具体安装步骤如下：
% cd
% mkdir design_dir
% $DESIGNWARE_HOME/bin/dw_vip_setup -path ./design_dir -e amba_svt/tb_ahb_svt_uvm_baseic_sys -svtb
安装完成之后，文件列表如下：
2.2 vip的使用和修改
vip安装完成之后，直接可以按照以下流程使用：
例如，run ts.directed_test.sv
gmake USE_SIMULATOR=vcsvlog directed_test WAVES=1
vip中的自带的makefile有点复杂，根据自己的习惯，重新写一个makefile:
2.2 仿真结果和分析
根据需求，写相关sequences和testcase，下面以HSIZE=32bit,起始地址为0x34为止进行地址变化，仿真结果如下：
- INCR4: 0x34,0x38,0x3C,0x40
- INCR8: 0x34,0x38,0x3C,0x40,0x44,0x48,0x4C,0x50
- INCR16: 0x34,0x38,0x3C,0x40,0x44,0x48,0x4C,0x50,0x54,…,0x70
- WRAP4: 0x34,0x38,0x3C,0x30
- WRAP8: 0x34,0x38,0x3C,0x20,0x24,0x28,0x2C,0x30
- WRAP16: 0x34,0x38,0x3C,0x00,0x04,0x08,0x0C,0x10,0x14,…,0x30
参考资料：AHB5,AHB-Lite总线协议