（信号与信息处理专业论文）基于amba总线协议的apb+bridge设计.pdf

摘要 基于a m 队总线协议的a p bb r id g 设计 作者简介：李杨，女，1 9 8 2 年9 月生，师从成都理工大学陈金鹰教授，2 0 0 8 年6 月毕业于成都理工大学信号与信息处理专业，获得工学硕士学位。 摘要 随着深亚微米工艺日益成熟，集成电路芯片的规模越来越大。数字i c 从基 于时序驱动的设计方法，发展到基于i p 复用的设计方法，并在s o c 设计中得到 了广泛的应用。在基于l p 复用的s o c 设计中，片上总线设计是最关键的问题。 为此，业界出现了许多片上总线标准。其中，由a r m 公司推出的a m b a 片上 总线受到了广大i p 核开发商和s o c 系统集成者的青睐，已经成为一种流行的工 业标准片上结构。a m b a 2 o 定义了三类总线，包括了a h b ( a d v a n c e dh i g l l p e r f o m a n c eb u s ) 、a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 和a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a l b u s ) 。a p b 中的a p b 桥( a p bb r i d g e ) 介于a h b 总线和a p b 总线之间，是连 接a h b 总线和外部接口的一个重要部件。本文在以龙芯1 号c p u g s 3 2 s 为 a h b 总线m a s t e f 的基础上，提出了一种基于蝴b a 2 0 总线的a p b 桥设计方法， 主要进行了以下三个方面的研究工作： 一、比较了各种片上总线标准，分析了铷汀墟o 总线规范较其他总线规范 的优势，对触订b a 2 0 进行了深入的研究，提出了满足以龙芯1 号c p ug s 3 2 s 为a h b 总线m a s t e r 的a p b 桥设计思想，以达到适应单独读写、连续读写和背 靠背读写的传输方式。 二、对目前业界流行的两种硬件描述语言v h d l 和v e r i i 力gh d l 进行了分 析对比，选择在门级丌关电路描述方面较强的v e m 力gh d l 语言设计能实现完成 以上传输方式的a p b 桥模块。 三、用v e r i l d gh d l 语言编写了测试激励程序( t e s t b e n c h ) ，通过m o d e l s i m 开发软件，对所设计的模块进行了时序仿真。通过q u a j t u si i 开发软件，为生成 的模块配置下载文件，完成了硬件测试，实现了设计要求。 本研究成果完成了a h b 传输协议向a p b 传输协议的转换，实现了低速外设 与高速c p u 之间的协调模块的设计，在公司产品中得到了应用。 关键词：a m b a 2 0g s 3 2 sa p b 桥 s o c 成都理j l ：大学硕士学位论文 d e s i g no f a p bb r i d g eb a s e do na m b a a i h i t e c t u r e i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ： l i y a n g ，f a m a l e ，w a sb o m i ns e p t e m b e r ，19 8 2w h o s e t u t o rw a sp r o f e s s o r c h e n j i n y i n g s h e鲈a d u a t e df 两mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f 1 e c h n o l o g yi nm a j o ra n dw a s 黟a n t e dt h em a s t e rd e 铲e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yi n d e e ps u b m i c r o n ， t h es c a l eo f i n t e 铲a t e dc i r c u i t ( i c ) 铲o w si n c r e a s i n 出y i th a sn o tb e e nt h ed a yw h e nd i 西t a l i n t e g r a t e dc i r c u i tb e e nd e s i g n e db a s e do nt i m i n g - d r i v i n g ，b u tt h et i m ew h e ni n t e l l e c t u a l p r o p e n y ( i p ) r e u s eb e e nt a k e np o p u l a r l y 1 1 1 i sd e s i g nm e t h o di sw i d e l ya p p l i e di nt h e s y s t e mo nc h i p ( s o c ) f i e l de i t h e r t h eo nc h i pb u sd e s i g ni sm o s tc a r e di ni p f e u s e d b a s e ds o c d e s i g n t h u s ，s e v e r a lb u ss l a n d a r d sw e r ep r o p o s e d a l o n gt h o s es t a n d a r d s ， t h ea d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e r b u sa r c h i l e c t u r e ( a m b a ) i st h em o s tf a v o r e d 。i th a sb e e n t h ep o p u l a ri n d u s t r ys t a n d a r d t h ea m b a 2 od e f i n e dt h r e ec l a s so fb u s ，i n c l u d i n g a d v a n c e dh j ；hp e 0 n n a n c eb u s ( a h 丑 ) ，a d v a n c e ds y s t e mb u s ( a s b ) a n da d v a n c e d p e r i p h e r a lb u s ( a p b ) ， 陆ea p bb r i d g ei so n ep a no fa p b i ti sb e t w e e na h b a n da p b b u s ，a sac r i t i c a lp a nt oc o n n e c ta h ba n do t h e rp e r i p h e r a l s t h i sd i s s e n a t i o ni sb a s e do nt h eg s 3 2 sc p uo fg o d s o n 1a st h ea h bm a s t e r a m e t h o dt od e s i g nt h ea p b b r i d g ei sp 1 1 ) p o s e d ，a n dd o s e ss o m er e s e a r c h 丘o m3p a n sa s f o l l o w s ： f i r s t ，t h ed i 骶r e n to n c h i pb u ss t 柚d 莉sa r ec o m p a r e d r e s e a r c ho nt h e a m b i a 2 0i sd o n ed e e p l y ；a n dt h ea d v a n t a g eo ft h es t a n d a r di sa n a i y z e d ac o n c r e t e m e t h o dt od e s i 印t h ea p bb r i d g ei s p u tf b n ) l ，a r d ，w h i c hc 卸m e e ts e q u e n t i a l ， n 0 n s e q u e n t i a l ，a n db a c k - t o b a c kt m n s f e rm o d e s e c 0 n d ，a f t e r t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so nv h d l ( v e r y - h i 曲一s p e e di n t e 伊a t e d c i r c u i th a r d w a r ed e s c f i p t i o nl a n g i l a g e ) a n dv e r i l o gh d l t h el a t t e ri sc h o u s e df o ri t s a ( 1 v a n t a g ea td e s c f i p t i o nt h eg a t e l e v e ls w i t c h i n gc i r c u i t t h i r d ，t h et e s t b e n c hw i t hv r e r i l o gh d lw a sw r i t t e nf o rt h ed e s i g n e dm o d u l e ，a n d t h et i m i n gs i m u l a t i o nw a sc o m p l i e di nm o d e l s i md e v e l 叩i n gs y s t e m t l h ed o w n l o a d f i l ew a sc o n f i g u r e df o ri nt h eq u a r t u si id e v e l o p i n gs y s t e m t 1 l em o d u l ep a s s e dt h e h a f d w a r et e s l ，r e a l i z e dd e s i g nr e q u e s t t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n th a sa c c o m p l i s h e dt h ec 0 i e r s i o nf 硒ma h bt oa p b ， r e a l i z e dt h ec o o r d i n a t i 咖b e 觚e e nl o w e r p e r i p h e r a l sa n dh i g l l e rc p u i th a sh i g l l e r 印p l i e dv a l u ei nd e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n 觚df u r t h e rr e s e a r c ho fe m b e d d e ds o c k e y w o i ；d s ：a m b a 2 0g s 3 2 sa - p bb r i d g ps o c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都理工太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 磊衲 砌年j 月廖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：锄 学位论文作者导师签名：7 各4 屋 潲年【只埔b 第1 章引言 1 1 课题的目的和意义 第1 章引言 在微电子领域技术的日新月异的今天，c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 的集成度将会连续不断地提高。根据摩尔定律，c m o s 的集成 度为每1 8 个月增长一倍，其物理特征尺寸最低限为3 5 n m ，因此片上系统面临着 严峻的考验。如今，集成电路设计，已经到了片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的时代，s o c 设计方法一方面提高了系统的性能，缩短了设计周期，另一方面也 给s o c 设计师们带来了新的挑战。 随着深亚微米工艺制造技术的飞速发展，集成电路芯片的规模也将越来越 大，目前，在单一i c ( i i l t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片中已经允许包含数亿个晶体管。 与此同时，i c 的设计方法也从基于时序驱动的方式，发展到了基于p ( i n t e l l e c t l l a l p r o p e n y ) 复用的方式，这种基于i p 复用的设计方法已经在s o c 设计中得到了广 泛的应用。 基于i p 复用的设计方法的关键是建立片上总线( o c b ，o n c h i p b u s ) ，片 上总线除了必须具有正确、高效和灵活的特点以外，还必须具有可复用性。这样， 就可以实现i p 核的可移植性和i p 核设计的可复用性，就可以充分地利用公共外 设核处理器，就可以提高从公共设计平台创建产品的定制化能力。因此，实现 o c b 的标准化是十分必要的。 近年来，许多公司相继制定了一些o c b 标准，其中影响较大的有 c o r e c o n n e c t 总线、a m b a ( a d v a i l c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 总线、 o c p ( 0 p e nc o f ep r o t o c 0 1 ) 总线和w i s h b o n e 总线。其中，a m b a 总线是a r m 公司提出的一个s o c 体系机构的丌放标准，用以集成r i s c 处理器和外设i p 核。 它独立于处理器和工艺技术，具有高速、低功耗等特点。同样，它也通过定义这 样一个针对s o c 模块的通用总线，加强了设计的重用性，即采用i p 核复用技术 简化芯片的设计。 a h b t o a p b 桥模块是a h b 高速总线上的从模块，也是蝴b a 系统中，c p u 与外围设备通讯过程当中必不可少的部件之一。它也是a p b 外围总线上唯一的 主设备，它提供了高速总线到低速低功耗的a p b 总线的接口。主要功能是完成 a h b 传输协议向a p b 传输协议的转换。 基于上述理论，为了满足数字系统设计中对i p 核复用的要求，设计的a p b 桥模块具有可复用性，能嵌入到相关的设计当中，经实验，能与u 伽r t 等外设 很好地完成通信，具有实用性。 成都理工入学硕士学位论文 1 2 各种s o c 片上总线的历史和现状 二十世纪末，在微电子及其应用领域发生了一场前所未有的变革，这场变革 是由片上系统( s o c ) 技术应用和发展引起的。从技术层面看，s o c 技术是超大 规模集成电路发展的必然趋势和主流，它以超深亚微米v d s m ( v e r yd e e p s u b m j c r o n ) 工艺和知识产权i p 核复用技术为支撑。 s o c 是二十世纪九十年代出现的概念。随着时间的不断推移和s o c 技术的 不断完善s o c 的定义也在不断的发展和完善。d a t a q u e s t 定义s o c 为：a ni n t e 伊a t e d c i r c u i tt h a tc o n t a i n sac o m p u t ee n 舀n e ，m e m o r ya n dl o 西co nas i n g l ec h i p ，即s o c 为 包含处理器、存储器和片上逻辑的集成电路。这大致反映了1 9 9 5 年左右s o c 设 计的基本情况。随着r f 电路模块和数模混合信号模块集成在单一芯片中，s o c 的定义在不断地完善，现在的s o c 中包含一个或者多个处理器、存储器、模拟 电路模块、数模混合信号模块以及片上可编程逻辑。因此，s o c 定义的发展和完 善过程，也大致反映s o c 技术在近十几年的发展趋势。 随着超大规模集成电路的迅速发展，半导体工业进入深亚微米时代，器件特 征尺寸越来越小，芯片规模越来越大，已经可以在单芯片上集成上百万到数亿只 晶体管。如此密集的集成度使我们现在能够在一小块芯片上把以前由c p u 和若 干i o 接口等数块芯片实现的功能集成起来，由单片集成电路构成功能强大的、 完整的系统，这就是我们通常所说的片上系统s o c 。由于功能完整，s o c 逐 渐成为嵌入式系统发展的主流。 1 2 1s o c 与板上系统的比较 s o c 与传统的板上系统相比较，具有许多优点： 1 、充分利用p 技术，减少产品设计复杂性和开发成本，缩短产品开发的时 间； 2 、单芯片集成电路可以有效地降低系统功耗； 3 、减少芯片对外引脚数，简化系统加工的复杂性； 4 、减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快了数据传输和处 理的速度； 5 、内嵌的线路以减少甚至避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰。 s o c 的设计过程中，最具特色的是l p 核复用技术。即选择所需功能的i p 核 ( 是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，该程序与集成电路工艺无关， 可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片) ，集成到一个芯片中用。 由于i p 核的设计千差万别，i p 核的连接就成为构造s o c 的关键。片上总线 2 第1 章引言 ( o n c h i p b u s ，o c b ) 是实现s o c 中i p 核连接最常见的技术手段，它以总线方 式实现l p 核之间数据通信。与板上总线不同，片上总线不用驱动底板上的信号 和连接器，使用更简单，速度更快。一个片上总线规范一般需要定义各个模块之 间初始化、仲裁、请求传输、响应、发送接收等过程中驱动、时序、策略等关系。 由于片上总线与板上总线应用范围不同，存在着较大的差异，其主要特点如 下： 1 、片上总线要尽可能简单。首先结构要简单，这样可以占用较少的逻辑单 元；其次时序要简单，以利于提高总线的速度；第三接口要简单，如此可减少与 l p 核连接的复杂度。 2 、片上总线有较大的灵活性。由于片上系统应用广泛，不同的应用对总线 的要求各异，因此片上总线具有较大的灵活性。其一，多数片上总线的数据和地 址宽度都可变，如a m b a a h b 支持3 2 位1 2 8 位数据总线宽度；其二，部分片 上总线的互连结构可变，如w j s h b o n e 总线支持点到点、数据流、共享总线和交 叉开关四种互连方式；其三，部分片上总线的仲裁机制灵活可变，如、m s h b o n e 总线的仲裁机制可以完全由用户定制。 3 、片上总线要尽可能降低功耗。因此，在实际应用时，总线上各种信号尽 量保持不变，并且多采用单向信号线，降低了功耗，同时也简化了时序。上述三 种片上总线输入数据线和输出数据线都是分开的，且都没有信号复用现象。 片上总线有两种实现方案，一是选用国际上公开通用的总线结构；二是根据 特定领域自主开发片上总线。 1 2 2 三种可用的s o c 总线 如今，片上系统已经成为半导体工业的热点，而开放知识产权的片上系统设 计j 下在走向实用的阶段。片上系统是在单芯片上实现全部电子系统的集成，通过 使多个设备集成在一个芯片上，实现系统级的功能，减少甚至不再需要外部器件 的使用，达到应用功能的快速实现、灵活修改以及方便升级，能快速上市，以更 短的时间占领市场份额。进行片上系统设计时，首先要考虑的问题是系统的体系 结构。为了提高开发模块的重复利用率，降低开发成本，用户采用了片上系统( 芯 片内部) 总线。与芯片间总线( 如s p i 、1 2 c 、u a r t 、并行总线) 、板卡间总线 ( i s a 、p c i 、v m e ) 、设备问总线( u s b 、1 3 9 4 、r s 2 3 2 ) 不同的是，片上总线为 用户提供了一个堪称“理想”的环境：片上系统模块间不会面临干扰、匹配等传 统问题，但是片上系统的时序要求异常严格。 由于o p e n c o r e 和其它致力于开放知识产权( o p e ni n t e l l e c t u a lp f o p e r t y ) 的 组织的大力推广( 开发设计了大量基于标准化片上总线的免费模块) ，用户在片 上系统总线的选择上更倾向于采用那些标准化、开放化的方案。目前，基于口 3 成都理 ：人学硕士学位论文 核互连的总线结构较有影响力的三种，也是业界采用比较多的标准化、开放化的 总线方案，包括i b m 公司的c o r e c o n n e c t 、a r m 的a m b a 和s i l i c o r e 公司的 、矾s h b o n e 。 1 2 3a m b a 总线的现状 目前，a m b a 总线的热点是a m b a3a x i 。a m b a3a x i 协议由3 0 多家公 司协作开发，用于满足下一代设计的需要。蝴b a 3 a x i 协议定义了一个单向的 通道架构，能够有效地使用寄存器分段实现更高速度的管道连接。凭借对多事务 处理和乱序事务处理的支持，再加上对读、写和地址控制通道的有效利用，它 能使系统获得更高的性能和效率，系统性能仅受限于其外围设备的自身性能。 通道概念的引入使a m b a3a x l 架构与以前的a m b a 协议有很大的不同。 5 个独立通道的每一个都由一组信息信号组成，并使用双向w 山i d 和r e a d y 握手机制。信息源使用v a u d 信号表明通道上的数据和控制信息何时有效，目 的端使用蚴y 信号表明何时能够接收数据。读数据通道和写数据通道都包含 一个l a s t 信号，以显示事务处理中最后一个数据项的传递何时发生。每一个读 事物处理和写事物处理都有自己的地址通道，地址通道中包含了事物处理所需的 所有地址和控制信息。读数据通道传送读数据和任何由从设备返回到主设备的读 响应信息，其数据总线宽度可以是8 位1 0 2 4 位，读响应信息表明读事物处理 的完成状态。写数据通道传送主设备到从设备的写数据，其数据总线宽度可以是 8 位1 0 2 4 位。写数据通道还包括1 个字节的狭窄通道，对每8 个数据位进行过 滤，表明数据总线上哪些字节是有效的。对独立数据传送的支持使总线得到了更 有效的使用，能获得更高的性能、更低的时延和增强的带宽操作。 基于a m b a3a x i 协议的复杂性，设计和验证一个基于该标准的子系统变 成一项主要工作，并需要大量的专门技术。通过提供给工程师公共的设计和验证 i p 模块，实现从模块级到子系统级的快速实现和确认，针对a m b a3a x i 的 d e s i 舶w a r ei p 解决方案使设计变得轻松。另外，c o r e 触s e m b l e r 工具可实现子系 统的自动装配，并自动产生测试平台架构。当使用d e s i 龋w a r ei p 解决方案时， 设计者能够快速装配、综合和验证基于a m b a3a x i 的设计。 a r m 公司在美国加州旧金山举行的设计自动化大会( d e s i 舯a u t o m a t i o n c o n f e r e n c e ，d a c ) 上宣布推出用于嵌入式系统设计的下一代a r mp r i m e c e u a m b a3 蝴c o n f i g u r a b l ei n t e 瑚衄e c t ( p l 3 0 1 ) 和a m b ad e s i 印e re c 0 s y s t e m e d i t i o n 设计自动化工具。 这两款全新的f a b r i c 系列产品向设计师提供了有效的方法来管理下一代片 上系统( s o c ) 设计中的片上通信流程，从而使片上系统得性能显著提高，同时 节电性能也得到提高。 4 第1 章引言 1 3 课题的主要研究内容及思路 根据以上s o c 片上总线的讨论，可以看出，舢讧b a 总线规范由于其设计复 杂度适中，既适用于设计较复杂的系统，也能用于设计简单的系统，加上开放免 费的i p 核支持，迄今为止，a m b a 标准被a r m 9 0 以上的合作伙伴采用，被 2 0 0 0 0 余名工程师通过a r m 的公司网站下载，并已经成功应用于上千个a s l c 设计中。 在舢订b a 总线规范中，a p b 桥是至关重要的一部分，a h b 总线与a p b 总 线的通信必须经过a p b 桥的协议转换来实现。 a h b 总线为高性能和高时钟系统而设计，它包含了对处理器、片内存储器、 片外存储器和低功耗外设的接口，支持固定长不定长突发( b u r s t ) 传送、分片 ( s p l i t ) 传输特性和多个主设备的总线管理，地址数据分离的二级流水线操作， 通过从设备驱动的h r e s p 和h r e a d y 应答信号控制数据操作的等待周期长度； a p b 总线是专为降低功耗以及接口复杂性而设计的总线，它常被用于连接一些 低带宽、低速传输的外设，它的总线操作包括s e l m p 和e n a b l e 两个状态，其 中，a p b 读操作只需在e n a b l e 状态数据有效，写操作要求写数据在整个写操 作期间有效。 基于a h b 总线与a p b 总线以上的特性，两种总线的时钟同步问题是a p b 桥设计的关键。在a m b a 2 o 规范之中，并没有对两者的时钟关系究竟应该取同 频还是倍频没有明确地定义。同频的好处在于简单，总线模块的面积较小，稳定 性高，而且整个a m b a 系统由单个时钟控制，在静态时序分析和综合后布局布 线上限制较小，芯片速度较快。倍频是目前a m b a 总线设计的流行趋势，它的 好处在于： ( 1 ) 低功耗。由公式p = r c v 2 f ，功耗是频率的线性函数，减小a p b 时钟频 率可降低总线以及外围设备的功率功耗。 ( 2 ) p c l k 时钟频率可变，可以实现更好的功率控制算法。 ( 3 ) 较低的时钟频率对外围模块的时序要求也较低，使得外围模块的设计目 标可以更集中在减小面积而不是保证时序上。 不过，倍频设计存在以下几个缺点： ( 1 ) 因为有两个时钟，总线桥模块的设计必须要增加同步逻辑； ( 2 ) a p b 总线时钟较慢，所以a h b 总线对a p b 总线的访问会增加一定的 等待周期，降低了系统性能； ( 3 ) a p b 总线频率限制了外围模块的参考时钟的最高频率，这降低了部分 传输速度较快的接口，如s s p 、u a r t 的最高传输频率。 本文主要的研究工作就是针对a h b 总线到a p b 总线接口中a p b 桥设计的 5 成都理：【大学硕士学位论文 要点，从实际使用出发，设计一个可综合的软核。设计的软核基于p r i m e c e l l 算 法，实现数据的连续与非连续读写操作，占用较小的芯片资源，具备良好的可以 移植性。 论文各个章节具体内容如下： 第一章主要介绍了本课题的目的，阐述了国内外s o c 片上总线的研究现状， 介绍了时下业界流行的几种s o c 片上总线的规范，对比了各种总线规范的异同， 得出了a m b a 总线的优势，概括了本课题的主要内容与成果，指出该课题的研 究成果具有现实实用价值； 第二章内容为本课题内容的理论基础； 第三章对研发平台做出说明； 第四章阐明了实现a p b 桥的设计方法，介绍设计的a p b 桥模块并给出了 本设计的调试与结果分析的内容； 第五章介绍课题设计模块的典型应用实例。 1 4 课题取得的主要成果 通过对本课题的研究取得了以下的成果： ( 1 ) 对各种s o c 片上总线规范作了深入的研究，尤其是课题设计采用的 蝴b a 2 o 总线规范。 ( 2 ) 深入研究了各种硬件描述语言，比较了各种语言的优势与不足之处，分 析了不同的语言在软核的设计上的不同影响范围，选择了在门级开关逻辑描述能 力较强而复杂度适中的v e r i l o g h d l 语言作为课题设计的软核描述语言。 ( 3 ) 掌握了q u a n u s i i 和m o d e l s i m 两个软件开发平台，课题设计的软核正 式在这两个软件平台下实现的。 ( 4 ) 通过使用软件进行调试与分析，综合比较了设计系统参数，为进一步研 究指明了方向。 6 第2 章a m b a 总线协议与p r i l l l e c e n 算法 第2 章a m b a 总线协议与p r i m e c e 算法 设计人员在设计总线往往会依据两方面的原则：一是芯片设计流程其内在的 需求；二是所针对的应用对交换带宽、延时、效率灵活性的需求。在芯片设计中， 芯片内部总线的设计往往决定了芯片的性能，功耗与各模块设计的复杂度，因此 不同的总线结构在系统性能、功耗、设计复杂度等指标上各有不同。 a m b a 总线的典型应用是将a h b 作为处理器、存储器、d m a 通道等对时 间和性能要求很高的部分而使用的高速总线，而通过桥将外设总线a p b 连接起 来。 舢讧b a 总线提供一种特殊的机制，可以将r l s c 处理器集成在其它i p 芯核 和外设中，2 0 版的a m b a 标准定义了三组总线：a h b ( a m b a 高性能总线) 、 a s b ( a m b a 系统总线) 和a p b ( 舢b a 外设总线) 。a h b 用来研发宽带处理 器芯核的片上总线。 2 1 几种总线结构的比较 c o r e c o n n e c t 总线、a m b a 总线和、m s h b o n e 总线是业界目前采用最为普遍 的三种s o c 总线。这三种总线分别由a r m 、i b m 和s i l i c o f e 三家公司提出，三 种总线各有其优缺点，下面将分别介绍三种总线，并顺便简单介绍舢t e m 公司推 出的a v a l o n 总线，最后作出综合比较。 2 1 1c o r e c o n n e c t 总线 c o r e c o n n e c t 总线规范是i b m 公司设计的一种s o c 总线协议，它能够使处 理器、内存控制器和外设在基于标准产品平台设计中的集成和复用更加灵活，从 而提高整个系统性能。 c o r e c o n n e c t 总线采用了总线分段的方式，共提供了三种基本类型的总线： 处理器局部总线p l b ( p r o c e s s o rh c a lb u s ) 、片上外设总线o p b ( o n c l l i p p e r i p h e r a lb u s ) 和设备控制寄存器总线d c r ( d e v i c ec o n t r o lr e 西s t e r ) 。此外， c o r e c o n n e c t 还提供连接高性能总线和低性能总线的o p b 桥。c o r e c o i l i l e c t 的逻 辑总线结构图如图2 1 所示。 从图中可以看到，c 0 r e c o n n e c t 总线定义了一个清晰的结构，囊括了所有系 统组件和它们之间的连接。c o r e c o n n e c t 总线结构一共设计了3 种总线和1 个高 性能总线与低性能总线连接的桥，分别是o p b 、p l b 、d c r 总线和o p b 桥。 7 成都理j r 大学硕士学位论文 黠牢二显，线 耳盐斗一窖臌 图2 1c o r e c o n n e c t 逻辑总线结构 o p b 总线连接外部设备；p l b 总线连接处理器、外部高速缓存和高速存储 器，是解决处理器运算瓶颈的总线；d c r 总线将所有连接在p l b 上的模块通过 雏菊花环的方式进行互联配置，通过它来分配配置信息，减少对o p b 和p l b 总 线的带宽占用；o p b 桥实现了p l b 总线和o p b 总线的互联。因为p l b 和o p b 的性能差异，所以设计中o p b 桥在o p b 总线端相当于一个主o p b 设备，而在 p l b 总线端则相当于一个从p l b 设备。这样在从p l b 设备发出信号时，主o p b 设备就根据它的可接收情况进行分拆、重发等等。 2 1 2 圳b a 总线 由a r m 公司推出的a m b a 总线规范是一种用于高性能嵌入式系统的总线 标准。它独立于制造工艺技术，增强了各种应用中的外设和系统宏单元的可重用 性。a m b a 总线规范是一个开放的标准，可以免费从a r m 获得。目前，a m b a 拥有众多的第三方支持，被a r m 公司9 0 以上的合作伙伴采用，在基于a r m 处理器内核的s o c 设计中，已经成为广泛支持的现有互连标准之一。a m b a 2 o 总线规范发布于1 9 9 9 年，该规范引入的先进高性能总线( a h b ) 是现阶段a m b a 实现的主要形式。a h b 的关键是对接口和互连均进行定义，目前是在任何工艺 条件下实现接口和互联的最大带宽。a h b 接口已经与互连功能分离，不再仅仅 是一种总线，而是一种带有接口模块的互连体系。 劁b a 总线的基本结构如下图2 2 所示。j 州b a 总线是一个多总线系统， 8 第2 章朋订b a 总线协议与p r i l n e - c e u 算法 由图中可以看出，a m b a 2 o 规范中定义了三种可以组合使用的不同类型的总线： a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o 册a n c eb u s ) 、a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 和a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 。a p b 桥介于a h b a s b 总线和a p b 总线之间，是高 速的a h b a s b 与低速的a p b 之间通信的桥梁。a p b 桥挂接在a h b a s b 总线 之下，是a h b a s b 总线的一个从设备( s l a v e ) ，同时也可以看出a p b 桥也是 a p b 总线上唯一的主设备( m 硒t e r ) 。这个总线桥模块将由a h b 总线发起的总线 传输转换到a p b 传输。 图2 - 2 圳队总线的基本结构示意图 a p b 总线下挂接了一些低数据吞吐量的外设终端，如图中所示的u a r t 、 t i m e r 、k e v p a d 和g p i o 等，而高数据吞吐量的外设中断挂接在a h b 总线上， 如r a m 、m a c 、d m a 、p r o c e s s o r 等。当需要与a p b 总线上的外设进行通信时， a p b 桥根据来自a h b 总线的信号，由a p b 桥中的d e c o d e r 模块翻译得到一 个op s e l 信号，这个信号由a p b 桥输出到a p b 总线上，选择由o _ p s e l 信号确 定的一个s l a v e 。传输过程中需要用到的其他信号都将由a h b 总线发起，由a p b 总线相应，比如ih a d d r 地址信号和ih w r i t e 控制信号。 蝴b a 总线规范主要设计目的如下： ( 1 ) 满足具有一个或多个c p u 或d s p 的嵌入式系统产品的快速开发要求； ( 2 ) 增加设计技术上的独立性，确保可重用的多种i p 核可以成功地移植到 不同的系统中，适合全定制、标准单元和门阵列等技术； ( 3 ) 促进系统模块化设计，以增加处理器的独立性； ( 4 ) 减少对底层硅的需求，以使片外的操作和测试通信更加有效。 典型的基于j 蝴b a 的s o c 核心部分如图2 2 所示。其中，高性能系统总线 ( a h b 或a s b ) 主要用于满足c p u 和存储器之间的带宽要求。c p u 、片内存储 器和d m a 设备等高速设备连接于其上，而系统的大部分低速外部设备则连接于 9 成都理：l 大学硕+ 学位论文 低带宽总线a p b 上。系统总线和外设总线之间用一个桥接器( a p bb r i d g c ) 进 行连接。 a m b a 总线中的a h b 总线适用于高性能和高时钟频率的系统模块。它作为 高性能系统的骨干总线，主要用于连接高性和高吞吐量设备之间的连接，如c p u 、 片上存储器、d m a 设备和d s p 或其它协处理器等。其主要特性如下： ( 1 ) 支持多个总线主设备控制器； ( 2 ) 支持猝发、分裂、流水等数据传输方式； ( 3 ) 单周期总线主设备控制权转换； ( 4 ) 3 2 1 2 8 位数据总线宽度； ( 5 ) 具有访问保护机制，以区分特权模式和非特权模式访问，指令和数据读 取等； ( 6 ) 数据突发传输最大为1 6 段； ( 7 ) 地址空间3 2 位； ( 8 ) 支持字节、半字和字传输。 a m b a 的a s b 适用于高性能的系统模块。在不必要使用a h b 的高速特性 的场合，可选择a s b 作为系统总线。它同样支持处理器、片上存储器和片外处 理器接口与低功耗外部宏单元之间的连接。其主要特性与a h b 类似，主要不同 点是它读数据和写数据采用同一条双向数据总线。 a m b a 的a p b 适用于低功耗的外部设备，它已经过优化，以减少功耗和对 外设接口的复杂度；它可连接在两种系统总线上。其主要特性如下： ( 1 ) 非常简单，加上c l o c k 和r e s e t ，总共只有4 个控制信号； ( 2 ) 3 2 位地址空间； ( 3 ) 最大3 2 位数据总线； ( 4 ) 读数据总线与写数据总线分开。 2 1 3w is h b o n e 总线 w i s h b o n e 最先是由s i l i c o r e 公司提出的，现在己被移交给o p e n c o r e s 组织维 护。由于其开放性，现在已有不少的用户、群体，特别是一些免费的l p 核，大 多数都采用w i s h b o n e 标准。 w i s h b 咖e 总线规范是一种片上系统i p 核互连体系结构。它定义了一种i p 核之间公共的逻辑接口，减轻了系统组件集成的难度，提高了系统组件的可重用 性、可靠性和可移植性，加快了产品市场化的速度。、m s h b o n e 总线规范可用于 软核、固核和硬核，对开发工具和目标硬件没有特殊要求，并且几乎兼容已有的 所有的综合工具，可以用多种硬件描述语言来实现。 w i s h b o n e 总线规范的目的是作为一种m 核之间的通用接口，因此它定义了 1 0 第2 章舢订b a 总线协议与p r i m e c e 算法 一套标准的信号和总线周期，以连接不同的模块，而不是试图去规范i p 核的功 能和接口。 w i s h b o n e 总线结构十分简单，它仅仅定义了一条高速总线。在一个复杂的 系统中，可以采用两条、i s h b o n e 总线的多级总线结构：其一用于高性能系统部 分，其二用于低速外设部分，两者之问需要一个接口。这个接口虽然占用一些电 路资源，但这比设计并连接两种不同的总线要简单多了。用户可以按需要自定义 w i s h b o n e 标准，如字节对齐方式和标志位( ，1 1 a g ) 的含义等等，还可以加上二 些其它的特性。w i s h b o n e 的一种互连结构如图2 3 所示。 l p 核l p 核 主单元a主单元b j l jl i 交叉开关 r1r l p 核i p 核 l p 核 从单元a从单元b 从单元c 图2 _ 3 交叉开关方式总线结构 灵活性是w i s h b o n e 总线的另一个优点。由于i p 核种类多样，其问并没有一 种统一的间接方式。为满足不同系统的需要，w i s h b o n e 总线提供了四种不同的 i p 核互连方式： ( 1 ) 点到点( p o i n t t o - p o i n t ) ，用于两i p 核直接互连； ( 2 ) 数据流( d a t an o w ) ，用于多个串行i p 核之间的数据并发传输； ( 3 ) 共享总线( s h a r e db u s ) ，多个口核共享一条总线； ( 4 ) 交叉开关( c r o s s b a rs w i t c h ) ( 图2 3 ) ，同时连接多个主从部件，提高系 统吞吐量。 w i s h b o n e 总线主要特征如下：所有应用适用于同一种总线体系结构；是一 种简单、紧凑的逻辑i p 核硬件接口，只需很少的逻辑单元即可实现；时序非常 简单；主从结构的总线，支持多个总线主设备；8 6 4 位数据总线( 可扩充) ； 单周期读写；支持所有常用的总线数据传输协议，如单字节读写周期、块传输周 期、控制操作及其它的总线事务等；支持多种i p 核互连网络，如单向总线、双 向总线、基于多路互用的互连网络、基于三态的互连网络等；支持总线周期的正 成都理! i ：人学硕士学位论文 常结束、重试结束和错误结束；使用用户自定义标记( t a g ) ，确定数据传输类 型、中断向量等；仲裁器机制由用户自定义；独立于硬件技术( f p g a 、a s i c 、 b i p o