（微电子学与固体电子学专业论文）ahb总线上can控制器的实现.pdf

中山大学硕士学位论文 摘要 c a n 总线是一种广泛应用于汽车自动化和工业过程控制领域的现场总线， a h b 总线则是一种广泛应用于嵌入式系统的系统总线。 本论文介绍了c a n 规范和a h b 规范，并且设计了一个c a n 控制器和符合 a h b 规范的接口。c a n 控制器作为a h b 总线的从设备，通过该接口挂在$ 6 9 8 p 处理器内部的a h b 总线上，$ 6 9 8 p 处理器是a h b 总线的主设备。c a n 控制器 和$ 6 9 8 p 处理器组成了一个片上系统s o c 。 本设计实现了一个c a n 总线a h b 总线之间的桥，实现了c a n 总线上的数 据与a h b 总线上的数据的转换。将c a n 总线和a h b 总线结合起来，是一种新 的尝试，可以扩大c a n 总线和a h b 总线的应用范围。 与传统的独立c a n 控制器不同，本设计的c a n 控制器是作为片上外设， 与微控制器结合在一块芯片上实现。这样既方便了实际中的应用，也提升了系统 的性能。 本设计利用v h d l 语言和v e r i l o g 语言进行设计输入，用m o d e l s i m 对各个 子模块和顶层模块进行仿真，用x i l i n xi s e 进行了综合，然后下载到可编程逻辑 器件上实现。最后的硬件调试结果表明本设计成功地实现了c a n 总线与a h b 总线之间的通信功能。 关键词：c a n ，a h b ，s o c ，f p g a ，嵌入式系统 中山大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a ni sak i n do ff i e l db u sw i d e l ya p p l i e di nt h ed o m a i no fa u t o m o t i v e a u t o m a t i o na n di n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l ，a n da h bi sak i n do fs y s t e mb u sw i d e l y a p p l i e di ne m b e d d e ds y s t e m t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec a ns p e c i f i c a t i o na n da h bs p e c i f i c a t i o n ac a n c o n t r o l l e ra n da ni n t e r f a c et h a tc o m p l i e st h ea h bs p e c i f i c a t i o na r ed e s i g n e d t h e c a nc o n t r o l l e ri sa t t a c h e do nt h ea h bo f $ 6 9 8 pp r o c e s s o rb yt h ei n t e r f a c eu sas l a v e o fa h b ，a n d $ 6 9 8 pp r o c e s s o ri st h em a s t e ro fa h b t h ec a nc o n t r o l l e ra n d $ 6 9 8 p p r o c e s s o rc o m p o s e a ns o c t h i sd e s i g ni m p l e m e n t sab r i d g eb e t w e e nc a na n da h bw h i c hc o n v e r t sd a t ao i l c a nt 0d a t ao na h b t h ec o m b i n a t i o no fc a na n da h bi san e wa t t e m p t w h i c h m a ye x p a n dt h ea p p l i c a t i o ns c o p eo f c a na n da h b b e i n gd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ls t a n d a l o n ec a nc o m r o l l e r , t h ec a n c o n t r o l l e ri nt h i sd e s i g ni si m p l e m e n t e di nac h i pt o g e t h e rw i t ham i c r o c o n t r o l l e r , w h i c hf a c i l i t a t e st h ea p p l i c a t i o n sa n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m v h d la n dv e r i l o ga r eu s e dt oi n p u tt h i sd e s i g n , m o d e l s i mi su s e dt os i m u l a t e t h es o b - m o d u l e sa n dt h et o pm o d u l e ，x i l i n xi s ei su s e dt os y n t h e s i z ea n dt h e nt h i s d e s i g ni si m p l e m e n t e db yd o w n l o a d i n gi t i n t ot h ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e t h e r e s u ho fh a r d w a r ed e b u gi n d i c m e st h a tt h i sd e s i g ni m p l e m e n t st h ec o m m u n i c a t i o n s b e t w e e nc a na n da h b s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：c a n ，a h b ，s o c ，f p g a , e m b e d d e ds y s t e m i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 孝诬康 日期：2 0 0 7 年1 2 月9 日 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：社镪庳 日期：2 0 0 7 年1 2 月9 日 导师签名：p 日期：2 0 0 7 年1 2 月9 日 中山大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 c a n 是c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 的缩写，是最初由b o s c h 公司开发的一种通 信协议，后来被定义为i s 0 1 1 8 9 8 的国际标准。c a n 是一种有效支持分布式实时 控制并具有高安全级别的串行通信协议，其应用范围覆盖从高速网络到低成本的 多线路互连【”。 c a n 是一种现场总线，所谓现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底 层的现场设备或现场仪表互联的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成 2 1 。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。c a n 总线具有高可靠性并有效地支持分布式实时控制，它的出现为 分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支 持。 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 活性，其特点概括为：l c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上 其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点 信息。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高 优先级的数据最多可在1 3 5 u s 内得到传输。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可不受影响地继 续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很 重的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 c a n 只需通过报文过滤即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种 方式传送接收数据，无需专门的“调度”。 中山大学硕士学位论文 c a n 的直接通信距离可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达 i m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 c a n 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极 低。 c a n 的通信介质可分为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他 节点的操作不受影响。【3 】 由于其良好的性能及独特的设计，c a n 总线越来越受到人们的重视。它在 汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如b e n z 、 b m w 、p o r s c h e 、r o l l s r o y c e 和j a g u a r 等都采用了c a n 总线来实现 汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于c a n 总线本 身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、 航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器 械及传感器等领域发展，被公认为几种最有前途的现场总线之一【4 】。 c a n 总线的通信协议由c a n 控制器实现。在c a n 控制器中集成了c a n 协 议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括零位的插入 删除、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作【5 i 。1 9 8 7 年，i n t e l 公司 推出了第一片c a n 控制器芯片8 2 5 2 6 。它是c a n 协议的第一个在硬件上的 实现。其后不久，p h i l i p s 半导体公司推出了8 2 c 2 0 0 。目前，一些知名的半导体 厂家都生产c a n 控制器芯片。其类型一种是独立的，一种是和微处理器集成在 一起。前者使用上比较灵活，它可以与多种类型的单片机、微型计算机的各类标 准总线进行接口组合。后者在许多特定情况下，使电路设计简化和紧凑，效率提 高。 目前c a n 控制器芯片的类型十分丰富，最常用的是p h i l i p s 公司的s j a l 0 0 0 芯片。s j a l 0 0 0 是一种独立的c a n 控制器芯片，主要用于移动目标和一般工业 环境中的区域网络控制。它是p h i l i p s 半导体公司p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制器 ( b a s i c c a n ) 的替代产品，而且它增加了一种新的操作模式p e l i c a n ，这种 模式支持具有很多新特征的c a n2 0 b 协议【们。s j a l 0 0 0 在时序和接口上支持i m e l 中山大学硕士学位论文 模式和m o t o r o l a 模式，使用时需要配合一个微控制器作为主控设备。图1 1 是 s j a l 0 0 0 芯片外部引脚图。 图1 1s j a l 0 0 0 芯片外部引脚图 与微控制器集成在一起的c a n 控制器的例子有p h i l i p s 公司的p 8 x c 5 9 1 ，它 是一种带c a n 控制器的8 位单片机，采用8 0 c 5 1 单片机指令集。 从网络的角度看，c a n 属于总线型结构的一种适合工业现场自动控制的计 算机局域网络。c a n 规范参考了国际标准组织( i s o ) 的开放系统互连( o s i ) 模型，但其模型结构只有三层，即物理层、数据链路层和应用层。c a n 在物理 层的选择上有很大的自由，但要保证在同一个网络下对于所有节点都有同一个物 理层。在实际使用中c a n 总线一般采用一对差分信号线传输信号，因此c a n 控制器的输出数字逻辑信号还需要经过c a n 收发器转换为模拟的差分信号再传 输到c a n 总线上。常用的c a n 收发器芯片有p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 5 0 。 基于传统的独立c a n 控制器的c a n 通信系统中的每个节点由微控制器、 c a n 控制器和收发器组成，如图1 2 所示。总线可以根据实际需要选用双绞线、 同轴电缆或者光纤等介质。 瞎般柚艟螂脚惭恤嘣咖峨丽菥崤 竺lli丽l晏竺l善三 中山大学硕士学位论文 图1 2 基于传统的独立c a n 控制器的c a n 通信系统模型 点3 a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ) 总线是一种广泛应用于嵌入式系统的 系统总线，属于a m b a ( a d v a n 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 ) 总线的一种。 a m b a 总线由a i 洲公司开发。 a m b a 规范定义了一种针对高性能嵌入式微控制器设计的片上( o n c h i p ) 通信标准。该规范包含了3 种总线类型：a h b ，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 r n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 。a h b 总线适用于高速、高性能的系统模块i f 。 a m b a 协议是一个开放的、标准的片上总线规范，它详细定义了组成片上系统 ( s o c ) 的功能模块之间的互连和处理策略。通过定义一个s o c 模块的通用框架， a m b a 协议促进了可复用设计方法学【8 】。目前在便携式消费电子产品中广泛应用 的a r m 系列处理器都采用了a m b a 总线。 s p a r c ( s c a l a b l ep r o c e s s o r a r c h i t e c t u r e ) 是一种源于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t 盯) 体系的指令集架构【9 】，具有指令数量少，指令长度固定，寻址方式 少，寄存器数量多等特点。s p a r c 架构最初由s u n 公司开发，在科研和工程领 域得到广泛应用的性能强大的s u n 工作站所用的c p u 就是基于s p a r c 架构的。 目前s p a r c 的管理由s p a r ci n t e r n a t i o n a l 负责。s p a r ci n t e r n a t i o n a l 创建于1 9 8 9 年，是一个独立的、非盈利的组织，负责管理和指导s p a r c 的开发。s p a r c 是 中山大学硕士学位论文 一个开放的技术标准。在金融、科研、工业、关键任务系统中，当然还有在i n t e m e t 市场中，s p a r c 架构被证明是最为广泛可行的技术【1 0 1 。 $ 6 9 8 p 是欧比特( 珠海) 软件工程有限公司开发的一款遵循s p 蛆犯v 8 架构 的3 2 位处理器，它针对嵌入式应用设计，提供高性能的同时具有低复杂性和低 功耗。$ 6 9 8 p 内部采用a m b a 总线，包括a h b 总线和a p b 总线。$ 6 9 8 p 的系 统结构框图如图1 3 所示。 $ 6 9 8 p 处理器具有如下主要特征：哈佛架构的7 级流水线、分离的指令和数 据缓存、硬件乘法器和除法器、片上调试支持和多处理器扩展。 1 2 课题意义 图1 - 3 $ 6 9 8 p 系统结构框图 这次设计的c a n 控制器是作为片上外设，挂在$ 6 9 8 p 处理器的a h b 总线 上，组成一个带c a n 控制器的片上系统s o c ( s y s t e m o n c h i p ) ，当中复用了$ 6 9 8 p 处理器的软i p ( i n t e l e c t u a lp r o p e r t y ) 核。 将整个电子系统集成在同一芯片上，称为片上系统( s o c ) 。s o c 设计是指以 嵌入式系统为核心，以i p 复用技术为基础，集软硬件于一体，并追求产品系统 中山大学硕士学位论文 最大包容的集成芯片设计。狭义上，指在一个芯片上实现信号采集，转换，存储， 处理和i o 功能，包含嵌入软件及整个系统的全部内容；广义上，指一种芯片设 计技术，可以实现从确定系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。 s o c 是电子技术和集成电路技术不断发展的产物，随着单芯片的集成度越来 越高，性能越来越强，现有技术已能将一个复杂的系统集成在一个硅片上。现在， s o c 技术已成为当今微电子工业界的热门话题，它代表了a s i c 设计的发展趋势， 将极大地改变电子产品的设计思想，开发手段和实现方法，同时也将极大地影响 电子产业的格局【”j 。 在所有s o c 的设计中，预先设计的核是基本的部件。系统芯片由各种满足片 上功能的嵌入核组合而成。这些核通常可以由可综合的硬件描述语言( h d l ) ， 如v e r i l o g v h d l ，或经过优化的晶体管级的版图，如g d s i i 来实现。下面给出 软核、固核和硬核的定义： 软核：是用可综合的r t l 描述或者通用库元件的网表形式表示的可复用模 块。这意味着软核( 宏单元) 的用户须负责实际的实现和版图。 固核：是指在结构和拓扑方面针对性能和面积通过版图规划，甚至可能用某 种工艺技术进行过优化的可复用模块。它们以综合好的代码或通用库元件的网表 形式存在。 硬核：是指在性能、功率和面积上经过优化，并映射到特定工艺技术的可复 用模块。它们以完整的布局布线后的网表和诸如g d s i i 格式的固定版图形式存 在。1 1 2 1 随着设计复杂度的不断提高，为保持较高的设计速度，可复用设计是绝对必 须的。在核和s o c 设计中，采用可复用设计有助于缩短设计时间。 本设计实现了与两组总线之间的通信功能：一方面通过c a n 总线发送和接 收数据，另一方面通过a h b 总线与主设备进行读写操作，也就是实现了c a n 总线与a h b 总线之间的数据转换功能。形象地说，本设计相当于一个a h b 总 线和c a n 总线之间的桥。如图1 4 所示。 6 中山大学硕士学位论文 a h b 图1 - 4 c a n a h b 桥 回顾c a n 控制器的发展历史，可以发现c a n 控制器的发展趋势是从独立 的c a n 控制器到把c a n 控制器与微控制器集成在一块芯片上实现，即用s o c 的思想来实现。这也体现了电子设计的发展趋势，从分立器件到集成电路，再到 s o c 。 尽管目前市面上有集成c a n 控制器和微控制器的单块芯片，但其结合的微 控制器一般是性能低下的8 位机，难以满足高端要求。而且其内部的片上外设也 不是十分丰富，难以称作真正的s o c 。而本课题中的c a n 控制器结合的是性能 强大的基于s p a r cv 8 架构的3 2 位处理器$ 6 9 8 p ，可以满足更加高速的要求。 并且$ 6 9 8 p 内部已经集成了众多的功能丰富的片上外设，加上本设计的c a n 控 制器，将成为一个典型的s o c ，可以满足更多的应用要求。由于c a n 控制器是 挂在标准的、开放的、灵活的、高速的a h b 总线上，所以有利于i p 核的互连， 同时性能得到进一步提升。以上这些都是新的尝试，在理论和现实中都有重要的 意义。 基于带c a n 控制器的$ 6 9 8 p s o c 的c a n 通信系统模型如图1 5 所示。 中山大学硕士学位论文 f 习 节点1 f 习 麓麓辫缫辫鞣躐磁黼赫瓣糍燃 鞫c a n 收发器匿鞫c a l l 收发器隧 llli li 一 一 l ii 一 塑。! 型竖壅塞。 l 蓊s 6 9 8 p s o cl 节点2 点3 图1 5 基于带c a n 控制器的$ 6 9 8 ps o c 的c a n 通信系统模型 8 中山大学硕士学位论文 2 1c a n 概述 第2 章c a n 规范介绍 c a n 是一种基于报文传输协议的广播通信机制，因此c a n 并未定义节点地 址，而仅仅定义了报文1 1 3 】。每一个报文都有一个标识符，在整个网络中必须是 惟一的，它不但描述了某一报文的内容，而且还定义了报文的优先级。当多个节 点同时访问总线时，优先级是进行总线仲裁的依据。 c a n 的网络系统的配置非常灵活，用户很容易将一个新的节点增加到一个 已经存在c a n 网络里，而不用对已经存在的节点进行任何硬件上或软件上的修 改。但是此新增的节点必须为完全的接收器，这样才不会对网络上各个节点的通 信产生影响。 c a n 的位速率在不同的系统中可以有不同的值，然而在一个给定的系统中， 位速率是统一和固定的。c a n 支持的位速率范围从l k b i t s 至1 0 0 0 k b i t s 。c a n 网络的每个成员都有自己的时钟发生器，通常是石英振荡器。位时间的定时参数 可以对每个节点单独配置，从而建立一个统一的位速率，尽管每个节点的晶振频 率可能不同。【1 4 】 c a n 总线中，各节点应使用相同的位速率。它的每位时间由同步段、传播 时间段、相位缓冲段1 和相位缓冲段2 组成。发送器在同步段前改变输出的位数 值。接收器在两个相位缓冲段之间采样输入位值。而两个相位缓冲段长度可自由 控制，以保证采样的可靠性。除此之外，由于各节点的时钟总有小的差异，c a n 总线使用时钟同步技术来保证通信的同步性，并在实际传送中，遇到连续发送的 五位相同时，将自动插入一个补码位( 除了发送固定格式字段时) 。【”l 2 2c a n 总线状态 c a n 定义了两种互补的总线逻辑状态：“显性”和“隐性”。当“显性”位 9 中山大学硕士学位论文 和“隐性”位同时传输的时候，总线的状态将是“显性”，也就是说“显性”状 态会覆盖。隐性”状态。如果用“线与”结构实现总线，则0 代表“显性” 状态，l 代表隐性状态。以下的讨论都将采用这种规定。 2 3 c a n 仲裁 当总线空闲时，任何节点都可以开始发送报文。当两个或以上的节点同时发 送报文时，总线访问的冲突通过标识符的位仲裁解决。在系统设计中，报文的优 先级体现在写入报文标识符的二进制值，这些值不能被动态地改变。标识符中的 值越小，其报文的优先级越高，也就是0 比l 的优先级高。在仲裁过程中， 每个发送报文的节点都对己发送位的电平和在总线上检测到的电平进行比较。如 果电平相同，则节点继续发送。如果发送的是一个“隐性”电平而侦测到的是一 个“显性”电平，则节点失去仲裁。所有失去仲裁的节点都会自动变为接收者， 接收高优先级的报文。它们不再企图发送报文，直到总线重新空闲。 2 4c a n 报文帧格式 c a n 协议支持两种报文帧格式，一种称为c a n 标准帧，一种称为c a n 扩 展帧，它们之间的区别主要在于标识符的长度不同。标准帧支持1 l 位的标识符， 扩展帧支持2 9 位的标识符。以下论述都是针对标准帧。 c a n 的报文分为4 种不同类型的帧：数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。 数据帧由7 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、a c k 场和帧结束，如图2 1 所示。 i 帧起始仲裁场控制场数据场c r c 场a c k 场帧结束 图：2 - 1 数据帧格式 o 中山大学硕士学位论文 帧起始：由单个“显性”( 。0 ) 构成。只有当总线空闲时节点才被允许开始 发送。所有节点必须同步于首先开始发送的节点的帧起始引起的下降沿。 仲裁场：由标识符i d 和远程发送请求位r t r 构成。 标识符的长度是1 1 位，这些位以从i d 1 0 到i d 0 的顺序发送，最低位是i d 0 。 其中最高的7 位( i d 1 0 一i d 4 ) 不能全是“隐性”( 1 ) 位。 r t r 位在数据帧中必须是“显性”位，在远程帧必须是“隐性”位。 控制场：控制场由6 个位组成，包括数据长度代码d l c 和两个保留位。保 留位必须以“显性”电平发送，但是接收器允许“显性”和。隐性”的任意组合。 数据长度代码代码为4 位，用于指示数据场中字节的数目，编码如表2 1 所 示，其中d 表示“显性”位，r ，表示“隐性”位。 表2 - 1 数据长度代码的编码 辫酽棼黟翟琴戮攒苌麓f 梢繁黟零繁罗鬻嬲繁缆 蕊幽巍潞鼢赢固垦是3 。瓤。固媳j k 。，q l q ! 。貔。期岛篓，q 。赫。翥 od ddd lddd r 2 ddrd 3ddrr 4d rdd 5drdr 6dr rd 7 drrr 8rd dd 允许使用的字节数目的值只能是o 8 ，其他值不能使用。 数据场：数据场包含o 8 个字节，每个字节首先被发送的是最高位m s b 。 c r c 场：c r c 场包括c r c 序列和c r c 定界符。帧校验序列源于循环冗余 码。c r c 定界符由单个“隐性”位组成。 a c k 场：a c k 场的长度是两位，包括a c k 间隙和a c k 定界符。在a c k 场中发送器发送两个“隐性”位，正确收到有效报文的接收器会通过在a c k 间 隙中发送一个。显性”位向发送器报告。a c k 定界符是a c k 场的第2 位并且必 须是“隐性”位。因此a c k 间隙被两个“隐性”位( c r c 定界符和a c k 定界 符) 包围。 中山大学硕士学位论文 j = 帧结束：帧结束由7 个“隐性”位组成，数据帧和远程帧以此作为结束的标 2 5 c a n 编码 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列都以位填充的方法编码。任 何时候当发送器在将要发送的位流中检测到5 个连续相同的位，它便会在实际发 送的位流中插入一个互补的位。 数据帧或远程帧的其余位场( c r c 定界符、a c k 场和帧结束) 的格式是固 定的，不被填充。错误帧和超载帧也同样是固定的格式，没有用位填充的方法编 码。 报文中的位流是根据非归零( n r z ) 方法编码的，这意味着在整个位时间里 产生的电平要么是“显性”( 。0 ) ，要么是“隐性”( 1 ) 。 2 6c a n 位定时 额定位时间可以被划分成以下不重叠的时间段： 同步段( s q cs e g ) 传输时间段( p r o ps e g ) 相位缓冲段l ( p h a s es e g l ) 相位缓冲段2 ( p h a s es e g 2 ) 如图2 2 所示。 s y n c s e o p r o p s e ( 3p h a s e s f _ b ip h a s e i 采样点 i 中山大学硕士学位论文 图2 - 2 位时间的划分 同步段用来同步总线上的各节点。一个边沿被期望在此段出现。 传输时间段用来补偿网络上的物理延迟时间。 相位缓冲段l 和相位缓冲段2 用来补偿边沿相位误差。它们可以通过重同步 延长或缩短。 采样点是总线电平被读取并以此作为相应位的值的时间点，位于相位缓冲段 1 的末尾。 时间量子是一个源于晶振周期的固定的时间单位，其值可以通过一个可编程 的具有1 到3 2 的整数值的分频因子设定。 各个时间段的长度： 同步段：1 个时间量子。 传输时间段：1 8 个时间量子。 相位缓冲段1 ：1 8 个时间量子。 相位缓冲段2 ：1 8 个时间量子。 在一个硬同步后，内部的位时间以同步段重新开始。硬同步强制引起硬同步 的边沿位于重新开始的位时间的同步段内。 作为重同步的结果，相位缓冲段l 可能被延长或者相位缓冲段2 可能被缩短。 延长或缩短的上限由重同步跳跃宽度给出，它可以通过编程设定。 边沿相位误差由边沿相对于同步段的位置给出，以时间量子为度量。相位误 差的符号定义如下： e = 0 当边沿位于同步段内。 e 0 当边沿位于采样点之前。 e 0 当边沿位于前一位的采样点之后。 当引起重同步的边沿的相位误差的数值小于或等于重同步跳跃宽度的编程 值，重同步的效果与硬同步一样。当相位误差大于重同步跳跃宽度， 并且如果相位误差为正，则相位缓冲段1 延长一个重同步跳跃宽度。 并且如果相位误差为负，则相位缓冲段2 缩短一个重同步跳跃宽度。 同步规则：硬同步和重同步是同步的两种形式，它们遵循以下规则： 中山大学硕士学位论文 1 一个位时间内只允许一次同步。 2 只有当在前一次采样点检测的电平与紧接在边沿之后的电平不同时，该 边沿才被作为同步。 3 在总线空闲时，任何时候有一个从“隐性”到“显性”的边沿便执行硬 同步。 4 所有其他的符合规则l 和规则2 的从“隐性”到“显性”的边沿将被用 于重同步，除了以下的例外情况：如果只有从“隐性”到。显性”的边沿被用于 重同步，一个发送“显性”位的节点将不会执行如同具有正相位误差的由“隐性一 到“显性”的边沿所弓i 起的那种重同步， 1 4 中山大学硕士学位论文 3 1 a h b 概述 第3 章a h b 规范介绍 a h b 总线是a m b a 总线的新一代，其设计目的是为了达到高性能可综合设 计的要求。a h b 总线是一种高性能的系统总线，支持多个总线主设备并且提供 高带宽操作。 a h b 总线实现了高性能、高时钟频率系统所要求的特征，包括： 突发传输 分段传输 单周期总线主设备移交 单时钟边沿操作 非三态实现方式 可配置的总线宽度( 3 2 6 4 1 2 8 位) 图3 1 所示是一个典型的基于a m b a a h b 总线的系统。 图3 - 1 典型的基于a m b a a h b 总线的系统 3 2 a h b 总线互连 a m b aa h b 总线是以中央多路选择器互连方案设计的。采用这个方案，所 有总线主设备驱动地址和控制信号指示它们希望执行的传输，同时仲裁器决定哪 中山大学硕士学位论文 个主设备的地址和控制信号连接到所有的从设备上。中央译码器负责控制读数据 和应答信号多路选择器，该多路选择器从参与传输的从设备中选择适当的信号。 图3 2 表示了实现具有3 个主设备和4 个从设备的a m b a a h b 设计的结构。 3 3 a h b 信号 图3 - 2 多路选择器互连 下表列举了a h b 总线只有单个主设备时所需的信号类型： 表3 - 1 a h b 信号 鬻鹾纂萋鬟鬟薹薹? 缫灏：i 冀羹：8 锑明? 鬻譬9 7 7 一? 譬? 竺鼍冀。：零鬻锡 h c l k 时钟源该时钟为所有总线传输定时。所有信号的时序都 总线时钟相对于h c l k 的上升沿。 h r e s e t l l 复位控制器用于复位系统和总线。是惟一的低电平有效的信 复位 号。 h a d d r 31 ：0 】 主设备3 2 位系统地址总线。 中山大学硕士学位论文 地址总线 h t r a n s 1 ：o 】 主设备指不当前传输的类型。为以下4 种类型之一：非 传输类型连续，连续，空闲或忙。 h w t e主设备高电平代表写传输，低电平代表读传输。 传输方向 h s i z e 2 ：0 】 主设备指示传输的大小，典型的是字节( 8 位) ，半字 传输大小( 1 6 位) 或字( 3 2 位) 。 h b u r s t 2 ：o 】 主设备指示传输是否形成突发的一部分。支持4 、8 、 突发类型1 6 节拍的突发并且可以是增量或循环。 h p r o t 3 ：0 】 主设备提供总线访问的附加信息。 保护控制 h w d a t a 31 ：0 】主设备写数据总线用于在写操作时把数据从主设备传 写数据总线输到从设备。 h s e l x译码器每个a h b 从设备都有自己的从设备选择信号， 从设备选择该信号指示当前的传输是针对被选中的从设备。 h r d a t a 31 ：0 】 从设备读数据总线用于在读操作时把数据从从设备传 读数据总线 输到主设备。 h r e a d y从设备当为高电平时h r e a d y 代表总线上的传输已经 传输完成完成。该信号为低电平时可以用来延长传输。 h r e s p i ：o 】 从设备提供传输状态的附加信息。有4 种响应类型：确 传输响应认，错误，重试和分裂 a h b 还有一部分支持多主设备所需的信号( 见表3 2 ) 。很多这些仲裁信号 是点对点连接的。表3 2 中后缀x 表示信号来自模块x 。 表3 - 2 仲裁信号 鬻黉蒌篡i 篡：翼黧鬻瀵冀瑟瑟篡麟溺篡黧篓i 篡雾翟嚣霖慧薹篓蒌懑 h b u s r e q x 主设备从总线主设备到总线仲裁器的信号，表示主设备 总线请求请求总线。系统中的每个总线主设备都有 h b u s r e q x 信号，最多可以有1 6 个主设备。 h l o c k x主设备当为高电平时，表不主设备请求对总线的锁定访 锁定传输问，在此信号为低电平之前，其他主设备不能被 授权占有总线。 h g r a n t x 仲裁器该信号表示总线主设备x 是当前最高优先级的 总线授权主设备。地址控制信号的拥有权在传输结束和 当h r e a d y 为高电平时改变。因此当h r e a d y 和h g r a n t x 都为高电平时主设备开始访问总 线。 。 h m a s t e r 3 ：0 】 仲裁器指示哪个主设备正在执行当前的传输，并且被支 主设备数量持分裂传输的从设备用来测定哪个主设备在尝 试访问。 j 7 中山大学硕士学位论文 h m a s t l o c k仲裁器表明当前的主设备锁定序列传输。 锁定序列 h s p l i t x i5 ：0 1 从设备该1 6 位分裂总线被从设备用于向仲裁器指示哪 分裂完成请求( 允许分个总线主设备应该被准予重新尝试分裂传输。 裂) 3 4 a h b 模块 3 4 1a h b 主设备 a h b 总线主设备拥有a m b a 系统中最复杂的总线接口，其接口图如下： 3 4 2a h b 从设备 h 月n 丝曼盛l 避丛咄 盟曼兰l 凹 熊6 匹。- j h ，m * | 坚笪丝盘 朋1 8 矗 壁兰塑， 埋l ：毯 脚 - 堕墅竖凹 盥垡茁瑾丑 醋 m h h 嘲t 图3 - 3 a h b 总线主设备接口图 囊自嘛 聊- 嘲 埘 再r d a h b 总线从设备响应系统中总线主设备启动的传输。从设备用一个来自译 码器的h s e l x 选择信号来决定何时响应总线传输。传输所要求的其他信号，如 地址和控制信息由总线主设备产生。a h b 从设备的接口图如下： 萋曹耋耋m触 _ 砉 中山大学硕士学位论文 i d 辔酾者 a 坩 晴伽嘲 0 峨 r 醴 e i 嘲i 3 4 3a h b 仲裁器 图3 - 4 a h b 总线从设备接口图 牦h 觯 f 穆弭n 舅争 o 蠢 a m b a 系统中仲裁器的角色是控制哪个主设备拥有总线的访问权。每个总 线主设备都有连接到仲裁器的r e q u e s t g r a n t 接口，并且仲裁器使用一种优 先级方案决定哪个总线主设备具有当前请求总线的主设备中的最高优先级。 优先级的细节没有作规定，可以根据不同的应用而定义。 图3 5 显示了a h b 仲裁器的接口信号。 1 9 中山大学硕士学位论文 氨尊毫 a 弼癣 3 4 4a h b 译码器 舳 胡竹 图3 - 5 a h b 仲裁器接口图 t ： 端 a m b a 系统中的译码器用来实现集中式地址译码功能，这样可以提高外设 的灵活性，使它们独立于系统存储器的映射。 图3 - 6 显示了一个a h b 译码器。 3 5 a h b 操作 懈 图3 - 6 a h b 译码器接口图 ，riill，l口1，ftiil-_111i 籍 勰， 中山大学硕士学位论文 3 5 1 基本传输 一次a h b 传输由两个不同的部分组成： 地址段，只持续一个周期 数据段，可能需要若干个周期，这可以利用h r e a d y 信号实现。 图3 7 表示了一个最简单的传输，没有等待状态。 h 嗽 m n 卫恻斟：孵 ，c 州 删n m 刈即棚 h r e w 埘啦配 p f 锕 ll ) o ( ) 。() 0 c 慰一 ) 。() 眍 张 “ f 1 觜艇 础 ； 匝 x xx nx 臀) 0 图3 7 简单传输 在没有等待状态的简单传输里： 主设备在h c l k 的上升沿之后向总线上驱动地址和控制信号。 从设备在下一个时钟上升沿采样地址和控制信息。 在从设备已经采样地址和控制信号之后，它便可以开始驱动合适的响应 信号并且此信号在第3 个时钟上升沿被总线主设备采样。 从设备可以在任何传输中插入等待状态，如图3 8 所示： 2 1 中山大学硕士学位论文 埘- m 。龋时_ ： 卜 i i ； i 。 l 二= = 二 慰”，秘、) 匿 蹦烈) 虻 忍 嬲 ”留 ) 莨 魁”溺a戳阻。 爆慰5) 。( ) 盛) 蓖 图3 - 8 具有等待状态的传输 当传输以这种方式被延伸时，它会引起延伸下一次传输的地址段的边际效 应。图3 - 9 表明了这点，它描述了关于不相关的a 、b 和c 地址的3 次传输。 ll 二l l。l： 。 ) 。( j) 。( 电 ) 。( 一 最。 忍x k 慰霄 州留 必 q 心 “ x k 慰) 哑x + 一x 一压笼整) 0 匕v |l |v也 x xx ：) ( 留) c 曩智= 蕊) 汇 3 5 2 传输类型 图3 - 9 多次传输 每个传输都可以被划分为4 种类型之一，这由h t r a n s i ：0 表明，如表3 - 3 二二= li=一 。：=一 中山大学硕士学位论文 所示。 表3 3 传输类型编码 戳曦缓髓匿类簦鬟薹瑟5b 圮明。岔觏j 嬲翁蹴i 勰瓤蠹；施蕊燃； 酝l g 蕊l i l 溺 0 0i d l e 表明没有传输请求。 o lb u s yb u s y 传输类型允许主设备在突发传输期间插入 i d l e 周期。 1 0 n o n s e q表明突发传输的第一个传输或单一传输。 1 1 s e q突发传输中的余下传输属于s e q ( 连续) 传输，当 前传输的地址与上一个传输有关。 3 5 3 突发操作 a m b aa h b 协议中定义了4 ，8 和1 6 节拍突发传输，不定长度突发传输以 及单一传输。本协议支持增量和循环两种突发传输。 传输信息由h b u r s t 2 ：0 提供，8 种可能的类型在表3 - 4 中定义。 表3 - 4 突发传输信号编码 豳露粼爹雠硝”类塑鬟薹篡薹 既张萌群骷。掰# 搿? 黪# 嘲# 群9 嘲簿襻黔弩辨孳篓黜黼静黔霹薹鬻棼囊糍# 潮 ；一v “z _+ 材女& 女 瓣 # # 蛾# 糍# # 饿女霸 0 0 0s i n g l e 单一传输 0 0 1i n c r不定长度增量突发传输 0 1 0w r a p 44 节拍循环突发传输 0 1 1i n c r 4 4 节拍增量突发传输 1 0 0佩a p 88 节拍循环突发传输 1 0 1 l n c r 8 8 节拍增量突发传输 1 1 0w 脚1 61 6 节拍循环突发传输 1 1 li n c r l 6 1 6 节拍增量突发传输 以下是突发传输的时序图例子： 中山大学硕士学位论文 曩重k 啊堋啊射：日 托姐p - ：目 脚一1 耻嘲 h w n 黜器 抽啊矗唧：峨 h 啊辅埘 h 钓“l 懈 ：蝴 矿照 群驴和番移 771 ：71- z 】。( m默h 麟i 鼠 怼m】【) ( 怼兰) 。c *) c i f 一 薹x 舔 懋h ) 。cx 二= 】c】魄) 蕊蕊 v 埝伪 v +vv 捌t 一，) 爱 二麓鉴二踅盛 图3 1 04 节拍循环突发传输 唪缸麓膏谯。开蓐 7 7 17- z1 - _ 一 x x * 口m麟 ) 【) ( 赫h 锄 爆 毅- 双 m h ) 。c 一 ) 。( ) 。c x 基艇 ：。c ) 。c) ( 3 c ) 。 。l ) 。c) xx 匾) 盔溉) 。 v 封尉v vv垃 麒x麓：麟) ( _ 瑟3 c = 嚣f ：孀衍 图3 1 14 节拍增量突发传输 i三意二 中山大学硕士学位论文 移掣 ； 。南簟齄 妒一 【 l i 一 - 7 j l o 一 117 ； 一 峥 ) 0 ( 一 ) ) ( 麟一 搿“x x 目) 0 匿 吩烈烈烈m ：爆慰一 蕊 ) 。c 吒 ) ( ) (hh ) 。c 强 菇：h 峨目【正一默 毅 燧 日一 日 慰燧