（微电子学与固体电子学专业论文）soc总线平台的设计与验证研究.pdf

摘要 电子产品对系统性能的要求越来越高，传统的设计方法正面临越来越大的挑战，新的设 计方法和设计思想呼之欲出。s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 技术，将原来由许多芯片完成的功能，集 中到一块芯片中完成，为系统性能的进一步提高提供了一种很好的解决方案。由于在面积、 速度、功耗等方面的巨大优势，s o c 技术正逐渐成为i c 设计的主流。 s o c 的出现带来了一场i c 设计思想和设计方法的革命。s o c 虽然提高了系统的性能，但 却成倍地增加了单块芯片的设计规模，设计的复杂度随之增加。为了应对因此带来的挑战， 可复用技术得到广泛的使用。由于s o c 中不只集成了硬件，同时也集成了软件，而且软件部 分的设计占据越来越重要的地位，软硬件协同的设计技术也越来越受关注。 随着电路规模的不断提高，复用技术的层次也不断提高，从基于模块的复用提升到基于 平台的复用，基于平台的设计方法已经成为s o c 设计的最佳解决方案。特别是基于总线平台 的设计，不但可以提高设计效率而且提供了统一的接口标准，有利于系统开发中最大限度的 i p 复用。 a r m 公司推出的a m b a 总线。是一款功耗低、速度快、面积小的s o c 总线，同时其高 速总线a h b ( t h ea d v a n c e d h i g h p e r f o r m a n c eb u s ) 和低速总线a p b ( t h ea d v a n c e dp e r i p h e r a l b u s ) 的两级总线结构提高了传输效率，非常适用于多数嵌入式系统。a m b a 总线己成为业 内使用最广泛的s o c 总线，成为实际上的总线标准。 本文设计了一个基于a m b a 的总线平台，由a h b 和a p b 两组模块组成。a m b aa h b 总线的相关模块包括c p u 的a j 珥w r a p p e r ，d m a ，a h b 仲裁器和a h b 译码器；a m b a a p b 总线的相关模块有a p b 桥，u a r t ，定时器和中断控制器。文章对每个模块都给出了r t l 级 的设计细节，包括每个模块的外部接口，内部结构，仿真结果以及综合结果，并对整个平台 提出了一套完整的验证方案。 在文章的最后将a m b a 总线平台作为标准平台应用到了h d t vs o c 集成芯片的设计中， 实践证明，使用此平台可以在保证质量的情况下大大提高设计效率。 关键词：s o c 总线，a m b a ，基于平台的设计，软硬件协同设计，软硬件协同验证 a b s t r a c t a st h er e q u i r e m e n to fe l e c t r o n i cp r o d u c t sf o rs y s t e mp e r f o r m a n c eb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r , t r a d i t i o n a li cd e s i g nm e t h o d o l o g yi sc o n f r o n t e dw i t hg r e a tc h a l l e n g ea n dn e wm e t h o d o l o g yi s v i v i d l yp o r t r a y e d s o c ( s y s t e mo nc h i p ) d e s i g n ，w h i c hi n t e g r a t e ss e v e r a lc h i p so nas i n g l e c h i p ， p r o v i d e sag o o ds o l u t i o nt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e s o cd e s i g nh a sb e c o m e t h em a i n s t r e a m i nt h ef i e l do f i cd e s i g nb e c a u s eo f t h ea d v a n t a g eo f s m a l l e ra r e a , h i g h e rs p e e da n dl o w e rp o w e r s o cd e s i g nc a u s e sap r o f o u n dr e v o l u t i o no f l cd e s i g nm e t h o d o l o g y a l t h o u g hi ti m p r o v e ss y s t e m p e r f o r m a n c e ，s o cd e s i g ni n c r e a s e st h es c a l ea n dc o m p l e x i t yo fas i n g l e - c h i pg r e a t l y , t h e nr e u s e m e t h o d o l o g yi sp u tf o r w a r dt oa n s w e rt h ec h a l l e n g e s o cd e s i g ni n t e g r a t e sn o to n l yh a r d w a r eb u t a l s os o f t w a r e a n ds o ，h w s wc o d e s i g nt e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t w i t ht h eg r o w t ho fc i r c u i tc o m p l e x i t y ，r e u s el e v e l sh a v er i s e df r o mm o d u l eb a s e dl e v e lt o p l a t f o r mb a s e dl e v e la n dp l a t f o r mb a s e dd e s i g nh a sb e c o m et h eb e s ts o l u t i o nt os o cd e s i g n s p e c i a l l yt h eb u sp l a t f o r mb a s e dd e s i g nc a nn o to n l yi m p r o v ee f f i c i e n c yb u ta l s op r o v i d ea n u n i f o r mi n t e r f a c es t a n d a r d ，w h i c hw i l lh e l pt om a k et h eb e s tu s eo f i pc o r e s a m b af r o ma r m c o r p i sas o cb u sw i t hl o wp o w e r , h i g hs p e e da n ds m a l lf l r e a i ti n c l u d e st w o b u s e s ：h i g h s p e e db u sa h b ( t h ea d v a n c e dh i g h - p e r f o r m a n c eb u s ) a n ds l o w s p e e db u sa p b ( t h e a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) ，t h i st w o - l e v e lb u sa r c h i t e c t u r ec a ni m p r o v et r a n s f e re f f i c i e n c yg r e a t l y a n di sv e r ya p p l i c a b l et oe m b e d d e ds y s t e m a m b ah a sb e c o m et h em o s tp o p u l a rs o cb u si nt h e i n d u s t r ya n db e c o m et h es o cb u ss t a n d a r da c t u a l l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a na m b a - b a s e db u sp l a t f o r mi sd e s i g n e d i ti sc o m p o s e do fa h bm o d u l e s a n da p bm o d u l e s a h bm o d u l e si n c l u d ea h bw r a p p e ro fc p u ，d m a ，a h ba r b i t e ra n da h b d e c o d e r ；a p bm o d u l e si n c l u d ea p bb r i d g e ，u a r t , t i m e r sa n di n t c t h er t ld e s i g nd e t a i lo f e v e r ym o d u l e ，i n c l u d i n ge x t e r n a li n t e r f a c e ，i n t e r n a ls t r u c t u r e ，s i m u l a t i o na n ds y n t h e s i sr e s u l to f e v e r ym o d u l e ，i si n t r o d u c e da n da ne f f i c i e n tv e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g yi sp r e s e n t e d a tt h el a s tp a r to f t h i sp a p e rt h ea p p l i c a t i o no f t h ea m b a - b a s e db u sp l a t f o r mi nt h eh d t vs o c i si n l x o d u c e d i t sp r o v e nt h a tt h eu s eo f t h ep l a t f o r mi m p r o v e sd e s i g nq u a l i t ya n de f f i c i e n c yg r e a t l y k e y w o r d s ：s o cb u s ，a m b a ，p l a t f o r mb a s e dd e s i g n ，h w s wc o d e s i g n , h w s wc o - v e r i f i c a t i o n 1 1s o c 的兴起 第一章概述 随着集成电路的不断发展，各种电子产品不论是在性能、体积还是在低功耗方面都取得 了飞速的进步。但是技术的发展速度仍然满足不了日益增长的市场需求，传统的设计方法正 面临越来越大的挑战。 现在的电路系统往往是由多个i c 芯片在印刷电路板( p c b ) 上拼接而成的，尽管单个i c 的速度不断提高，功耗也不断降低，但由于p c b 板上各i c 芯片之间存在很大的连线延时， p c b 板的可靠性以及体积过大等问题，系统的整体性能受到极大的限制。随着系统向高速率、 低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统集成电 路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。 而当今流行的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 技术则为系统性能的进一步提高提供了一种很好的 解决方案。s o c 技术是集成电路工艺不断发展的产物，随着v l s i 工艺技术的发展，单个芯片 上可以集成更多的晶体管，使得整个系统集成到一块芯片当中成为可能。 顾名思义，s o c 就是将整个系统集成到单一半导体芯片上，它囊括了各种不同的模块， 从硬件到软件，从数字逻辑到模拟器件到射频器件，一个完整的系统所必备的所有部分都集 成其中。软件部分主要包括操作系统( o s ) 、中间件( m i d d l e w a r e ) 和应用软件。数字逻辑主 要包括c p u 、d s p 、存储器、控制单元和互联逻辑、专用模块以及各种外设。模拟部分主要包 括a d c d a c 、p l l 等。射频部分主要指r f 发送接收器。 s o c 是单芯片系统，它将多个芯片之间的连线转移到了内部，不但降低了连线延时，减 小了系统的体积，而且封装也大为简化了。各个功能模块的工作环境趋于一致，并且都处于 密封状态，极大地增强了系统的抗干扰能力。不仅如此，由于s o c 设计中普遍采用 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 技术，大大缩短了产品的上市时间，这对于电子产品的研发和生 产而言，意义尤其重大。 s o c 的兴起，带来了i c 设计思想和设计方法的一场革命。s o c 不是芯片功能的简单叠加， 为了获得最佳方案，s o c 的设计必须在一开始就从整个系统的功能和性能出发，用软硬件协 同的设计和验证方法，基于各种i p 库，自上而下地进行设计。它所关注的焦点不再是某个功 能模块的设计，而是如何充分地利用现有的i p 资源，在最短的时间里设计出符合要求的应用 系统。下面我们就介绍一下s o c 设计中的两个关键性的技术。“” 1 2s o c 的关键技术 1 2 1 i p 复用技术 数百万门规模的s o c 设计，不能一切从头开始，要将设计建立在较高的层次上。与软件设计 中的复用技术类似，s o c 设计中大量采用了i p 复用技术。基于i p 模块的s o c 设计方法，其基本 思路是通过提高系统设计的重用层次，充分利用现有的i p 资源，根据系统需求选用适当的i p 模 块，进行系统集成设计。基于i p 模块的s o c 设计方法采用了i p 模块而不是基本逻辑或电路单元 作为基础单元，以功能组装代替功能设计，提高了设计者的设计能力，能够较快地完成设计，保 证设计成功，得到价格低的产品，满足市场需求。 s o c 的设计重用是建立在i p 模块的基础上，它是将已经验证的各种宏单元模块电路制成 i p 模块，便于以后的设计重用。i p 模块作为片上系统设计的基本单元，具有独立的知识产权， 可以进行转让和出售。通常有以下几种i p 模块的存在方式： 硬i p ( h a r di p ) ：一种以g d s i i 文件形式进行集成的核，它是已经经过全部设计、布局、 布线的核。 软i p ( s o f ti p ) ：一种以可综合的r t l 代码交付的核。 固i p ( f i r mi p ) ：是在软核的基础上开发的，是一种可综合的并带有布局规划的软核。 目前设计重用主要依靠固i p ，将r t l 级描述结合其体标准单元库进行逻辑综合优化，形 成门级网表，再通过布局布线工具最终形成设计所需的硬i p 。软i p 提供了更加灵活的产品， 可以结合具体应用，适当修改描述，并重新验证，满足具体应用要求。 开发具有知识产权的i p 模块。基于重用的设计构思、设计和验证，是基于i p 模块的片上 系统设计方法实现的重要手段。i p 的质量是i p 模块的最重要的因素，i p 模块必须是可重用、 可再定向、可配置、可升级的，而且i p 升级应符合可重用标准以确保升级后i p 模块的可重 用性。2 “4 1 1 2 2 软硬件协同设计 传统的i c 设计方法采用硬件先行的方法，即先设计硬件，再根据算法设计软件。而在深 亚微米设计中，硬件的费用是非常大的，当设计完成后，发现错误进行更改，要花费大量的 费用和时间。在对时间和费用要求苛刻的今天，此种方法是不可行的。在s o c 设计中，为了在 缩短开发周期的同时达到最佳的设计效果，就必须使用软硬件协同设计技术。9 “i ” 软硬件协同设计可以使软件设计者在硬件完成之前接触到硬件模块，从而更好地设计硬 件的驱动、应用程序、操作系统等软件，同时可以使硬件设计者尽早接触软件，为软件设计 者提供高性能的硬件平台，减少了设计中的盲目性。对软硬件的划分要从系统的角度出发， 寻找i 删s w 划分的最佳临界体系结构，以达到预定的设计目标。软硬件划分好以后，软件和硬 件的设计一直是保持并行的，在设计过程中两者交织在一起，互相支持，互相提供开发的平 台。 软硬件协同设计的流程如图1 1 所示。首先用单一的s y s t e m c i 若言对整个系统进行统一的 描述并进行模拟仿真和系统级功能验证，然后进行软硬件的划分，评估各种划分方案，找到 最佳的体系结构。接下来分别对软件和硬件部分进行细化设计，在此过程中，软硬件不断地 联合仿真，互为验证平台，以便尽早查出可能出现的错误。软件和硬件的设计都完成以后， 进行最终的系统测试。 可见，软硬件协同设计技术与传统的i c 设计方法有着本质的区别。软硬件协同设计包括 系统描述、软硬件划分和软硬件协同综台三个环节。在每个环节中，软件和硬件设计组都互 相配合，互相协作，并行设计的思想贯穿始末。这就是软硬件协同设计技术的核心。” 图1 1 软硬件协同设计的流程 1 3 基于平台的设计方法学 根据复用程度的不同，s o c 设计方法可以分为基于模块( b l o c kb a s e d ) 和基于平台 ( p l a t f o r mb a s e d ) 两种a 基于模块的设计方法，是指在设计中大量使用现成的i p 功能模块。 以缩短开发周期，是一种基于模块层次的复用技术。而基于平台的设计方法，是指在设计中 使用已有的集成平台，芯片的开发直接在集成平台上进行，是一种系统级的复用技术。可见， 基于平台的设计是i p 复用技术的扩展，它使基于个别模块级的复用提升到基于整个架构的复 用，因而可以大大提高设计效率，减小设计风险。基于平台的设计方法已经成为s o c 设计的最 佳解决方案。嘲 平台可以被定义成一个软硬件集成的结构。此结构满足一系列的结构限制条件，使软硬 件模块可以被重用。具体来说，平台是软、硬i p 模块及片上通信结构的结合体，一般还包括 嵌入式c p u 、实时操作系统( r t o s ) 、外围接口模块、中间件等。此外，还包括将此平台应用于 某一特定领域的适应性设计。 根据平台的架构特点可以将平台分为三类： 第一种是“全应用平台”，即平台供应商已经为用户提供了个完整的硬件和软件架构 系统，需要以此为参考设计，在此基础之上进行针对具体应用的开发。此类平台通常有一个 处理器、总线和一些专用模块，女h m o d e m 或m p e g 解码器。例如p h i l i p s 公司的n e x p e r i a 和t i 的 o m a p 多媒体平台、亿恒科技的m g o l d3 g 无线平台、p a r t h u s 的蓝牙平台以及a r m 的p r i m e x s y s 无线平台。 第二种是“以处理器为中心的平台”，它侧重于访问可配置的处理器而不是完整应用 如i m p r o vs y s t e m s 、a r c 、t e n s i l i c a 和t r i s c e n d 公司的产品。 第三种是“以通信为中心的平台”，它定义了互连架构但通常不提供处理器或全部应用。 女l s o n i c s 公司的s i l i c o n b a c k p l a n e 和p a l m c h i p 公司的c o r e f r a m e 结构。在嵌入式系统中， 通常是用总线通信的，所以这种平台又叫做总线平台。 基于平台的设计过程可以分为两个阶段：平台的设计和基于平台的开发。平台供应商负 责针对某一类应用领域，设计一个通用的平台架构，为针对具体应用的设计者提供一个参考 平台和快速原型。而设计者需要从预先定制的各种平台当中选择适合需求的平台，以此平台 为基础，对此平台做出适当的修改，以达到功能实现和性能优化的目的。 如图1 2 所示，平台供应商负责针对某一应用提供一个参考设计( r e f e r e n c ed e s i g n ) 。具体 应用产品的设计者从这个参考设计着手，如果参考平台提供的某些功能在产品中并不需要， 比如参考设计提供了以太网接口，而产品中不需要这一接口，那么就需要将相关的硬件模块 和软件程序、设备驱动从系统中除去。另外一方面，如果产品需要某一功能但是参考设计没 有提供，那么就需要在软件和硬件中加入相关的功能模块。 r e f e r e n c ed e s i g n d e r i v a t i v ed e s i g n 1 4 论文内容和结构 图1 2 基于平台的设计方法 本文的研究重点是s o c 总线平台的设计和验证，给出了一种基于a m b a j 6 的总线平台架 构，对此平台进行了详尽的设计，并提出了一套可行的验证方案。首先在第一章介绍了s o c 兴起的背景，继而介绍了s o c 设计中的两个关键技术一一i p 复用技术和软硬件协同设计技术， 和s o c 的重要设计方法一一基于平台的设计方法学。第二章则主要介绍了a r m 公司的a m b a 总线规范。第三章是本文的重点，给出了一种基于a m b a 的总线平台架构，说明了平台的 r t l 级设计方法，并提出了平台的验证方案。第四章给出了a m b a 总线平台在h d t vs o c 集成设计中的应用，实践证明，使用此平台可以在保证质量的情况下大大提高设计效率。第 五章对全文进行了总结。分析了本课题的不足之处，并明确了有待探索的方向。 5 第二章a m b a 总线规范 2 1 a m b a 总线概述 a 皿魄规范定义了三种总线： ( 1 ) a 船( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ) ：用于连接高性能系统模块，执行流水线操作， 它支持突发数据传输方式及单个数据传输方式，所有时序参考同一个时钟沿； ( 2 ) a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) ：是a m b a 系统总线的第一代，特点与a h b 类似，但性能比 a h b 差，目前已基本被a h b 所取代，本文的a m b a 总线平台也不包括该部分内容。 ( 3 ) a p b ( a d v a n c ep e r i p h e r a lb u s ) ：是一个简单接口支持低性能的外围接口，时序较a h b 大为简化，结构简单，更注重低功耗的要求。 一个典型的a m b a 系统如图2 1 所示。高速模块如c p u ，o n c h i pm e m o r y 和d m a 设备 通过a m b a a h b 进行通信，而低速模块如u a r t ，t i m e r ，k e y p a d ，p i o 则接入a m b a a p b 总线，a h b 和a p b 之间通过桥接模块b r i d g e 进行数据传输。 删 d 幢n 蚺d h 珞翻p w f 蹦| i c 聿b 凇 棚b o 硼酌宰一玮耳n 螬，鼬 p 妇e h 阳d 坤e r a t i o n 。9 u r s t 惝n s 伯 拍枷目脚eb u sm a s t e r s s o 矗t 怕m s a c t j 。r 悸 麟毒a 聃碰鼬dp 曩靠p 礴lb 瞄舻斟 + l o w f o w m “n c h 鲥音d 1 ，f 雠a n do o n t r o i s i m 0 把 嘲向 s 蝴l e f o rm a n y 嘶蜘唰s 图2 1 一个典型的a m b a 系统 2 2a m b a a h b a h b 是高性能的系统总线，支持多主设备系统，可以提供高速的操作。a h b 总线的内部连 接情况如图2 2 所示，图中有3 个主设备和4 个从设备。a h 8 总线具有访问的唯一性，即在 菜一时刻只允许一个主设备占用，由哪一个主设备占用总线需经a r b i t e r 进行总裁。中央译 码器d e c o d e r 控制多选器，以筛选从设备返回的数据及各种状态信息。 图2 2a h b 总线的内部连接图 2 2 1a h bm a s t e r 和a h bs l a v e a h bm a s t e r 即a h b 总线上的主设备，可以通过提供个地址和控制信号来触发读操作或 写操作。图2 1 中的c p u 和d m a 就是典型的a h bm a s t e r 。a h bs l a v e 即a h b 总线上的从设备， 它在一定的地址空间内对读操作和写操作产生响应。a h bs l a v e 还可以返回访问成功、访问 失败等状态信息。 图2 3a h bm a s t e r 和a h bs l a v e 的点对点通信 a h bm a s t e r 和a h bs l a v e 的点对点通信如图2 3 所示。各信号的详细描述见表2 1 ，表 中的非向量信号其数据宽度均为1 。 信号名来源 描述 h c l k s y s t e m a h b 总线的时钟信号，上升沿有效 h r e s e t ns y s t e m a h b 总线的复位信号，低有效 h a d d r 31 ：o lm a s t e r a h b 总线的地址线 h s e l xd e c o d e ra h bs l a v e 的片选信号 h w 王u t em a s t e r a h b 总线的读写信号，高写低读 h t r a n s 1 ：0 】 m a s t e ra h b 总线的传输类型指示信号，分 n o n s e q u e n t i a l ，s e q u e n t i a l ，i d l e 和b u s y 四种类型 h s i z e 2 ：0 m a s t e r a h b 总线的数据宽度指示信号。可以支持8 b i t ， 1 6 h i t 和3 2 h l t = 种佶蝓 f m u g s t 2 ：o 】 m a s t e ra 黜总线的猝发操作指示信号 h w d a t a r 3 1 ：0 1 m a s t e ra h b 总线的写数据线 h r d a t a 31 ：o s l a v e a h b 总线的读数据线 h r e a d ys l a v e r e a d y 信号，可以通过拉低此信号来延展总线周期 h r e s p 1 ：0 】 s l a v e状态指示信号，可以返回o k a y 和e r r o r 两种 状态 2 2 2a h b 仲裁器 如图2 4 所示，在多主设备系统中耍用到仲裁器a r b i t e r 。a r b i t e r 是a h b 总线的仲裁器， 用以确保在任何时刻只有一个m a s t e r 占用总线。a r b i t e r 通过一定的仲裁机制决定在申请总 线的各m a s t e r 中哪个m a s t e r 优先级最高。a h b 仲裁器的接口图如图2 4 所示，各信号的 详细描述见表2 2 ，表中的非向量信号其数据宽度均为1 。 9 h b u s r e o x l 一 h l 0 c i 【) 【1 一 蛐u s r e 0 x 2 一 i g r a n t x l。 h l 0 c k x 2 l g r n t x 2 一 h b u s r e 0 x 1 6 一 a h b h l ( ) c k x l 6 a r b i t e r h g l l n t x l 6 珈 a s t e r 3 ：0 。 础s t 2 ：0 3 珏臣a s t l o c k h r e a d y h c l k 脓e s e t n 一 表2 2a h b 仲裁器的接口信号 图2 4a h b 仲裁器的接口图 信号名 方向描述 h c l k m p t i t a h b 总线的时钟信号，上升沿有效 h r e s e t h i n p u t a h b 总线的复位信号，低有效 h b u s r e q x l 1 6i n p u t 各主设备的总线申请信号 h l o c k x l 1 6 i n p u t 各主设备的锁定总线请求 h b u r s t 2 - 0 i n p u t a i m 总线的猝发操作指示信号 h r e a d y i n p ma h b 总线的r e a d y 信号 h g r a n t x l 1 6 o u t p u t a h b 总线的授权信号，用以通知相应的 m a s t e r h m a s t e r 3 ：0 o u t p u t a h b 总线的授权信号，落后h g r a n t x 一个 时钟，用以控制各i t i u x 的开启 h m a s t l o c k o u t p u t 总线锁定指示信号 a r b i t e r 收到总线申请信号h b u s r e q x 后，对总线进行仲裁，仲裁结果通过h g r a n t x 输出，一个h c l k 后，使h m a s t e r 有效，以开启相应的m l l x ，让选中的m a s t e r 占用总线a 没有等待周期的授权过程如图2 5 所示。 0 h c l k h b u 8 r q x h 8 r a n t l 朔瞩 軎1 e f t 疆：珥 触d 限倒棚 h w d a , t a 3 1 ：o 】 t tt 2 h r g他 。_ _ _ _ 斟 甜 埽 勰 琏 “ 舡 毯慰b p】 图2 5 没有等待周期的授权过程 带有等待周期的授权过程如图2 6 所示，因为h r e a d y 被拉低，必须插入等待周期，推 迟h m a s t e r 信号的到来。 m 3 _ m 哪期 w 、嘲3 t 棚 i i w i m t a l 3 * ：a l n - h蛐v - - 岫 目 群 硝 聪h 虻 l 鍪l d 翻 敷 强 图2 6 带有等待周期的授权过程 b u r s t 传输下的总线交接如图2 7 所示，由于a h b 总线上正在进行b u r s t 操作，必须等待 b u r s t 操作完成，才能进行总线交接。 撙甄阽硼铂l m h g 潞嘲一 汹r ”h 1 m r i “ 晡帆翻鬻玛棚 h m 岬棚 p m l 嘴噼叶* 嘲 m 日糊 圳啊j q l 由 h w o a t n 3 1 ：珥 ”佳韩仆 6”mw l 型 盯 留 馈 尉 h - h 尉烈h 爆一鼎 龇 h l 【 懋 搿 h t 4 d “ g 。1 h舡 摄 h t h匝 烈 h 驻蹑髓逐) 图 融跹 爿vv v 愎埘 髓甜 址 2 2 3 基本传输 图2 7b u r s t 传输下的总线交接 一个a h b 传输包括两个阶段：地址传输阶段和数据传输阶段。最简单的读写操作如图2 8 所示，主设备在h c l k 的上升沿将地址信号及控制信号发送到总线上，然后从设备在下一个时 钟的上升沿采样地址信号和控制信号并作出相应的回应，此回应在第三个时钟的上升沿由主 设备接收。 实际上，a h b 采用了流水线结构，地址传输阶段和上一次传输的数据传输阶段在时间上 是重叠的，这样可以保证a h b 传输在单时钟内就能完成。 h c u ( h r 精1 ：0 1 c o n 臼o i h w o a i a 社1 ：o l h r 邑 d y h r o a t a 3 1 ：0 1 ll 烈慰0 慰c 撕州慰您 慰圃游圆 黑 翰阻 涮 黔i i 簿藏镬嚣) 臣 图2 8 基本的读写操作 从设备还可以在传输过程中插入等待周期，如图2 9 所示，从设备通过拉低h r e a d y 信 号而延展了总线周期。 r 瑚l 嚼 m m m 翔趣 m 日e w m m j l t a l 3 1 啦 h m - d b4 抽 |i 慰一x i x跹 ) 固( 一 麟) 臣 慰x j 鬟 d a m ) 虹 i ) 麟媳a嘲随 慰烈麟 糕纛i 烈i ) f a t 、a，灯 2 2 4 传输类型 图2 9 带有等待周期的操作 a h b 传输可分成4 种类型，如表2 3 所示。 表2 3 传输类型 h t r a n s i ：0 l 类型描述 0 0i d l e 表示没有数据传输，当主设备申请到总线又暂时不传输数 据时使用。 0 lb u s y 表示主设备正在进行猝发传输，但下一个传输不能及时进 行。 1 0 n o n s e q 表示该传输是单数据传输或猝发传输的第一个传输 1 1 s e q 表示该传输是猝发传输的后续传输，而不是第一个传输 图2 1 0 是a h b 传输类型的一个例子。 m c l l ( 砰n 强鹚n ：e l 融r p ：a i 删鼯1 - 降0 1 h w o a t a 弘1 ：o 】 h 骶 z w i 饿o a t a 1 ：o l t l他t3t t s w t 7体 i f 一i 一 x x m 日) ( ；) b 慰8 qx x s 自口 x 鬟 ) ( j (救 ) ：) ( 一) ( ) c 一 ) c = ；( 一) c x x xx 鬟 ) 。 x 簧 x x ) 。 ) 。(蕊) 。(恁墨k jxx 噩 乜v vv 一镪v a ) ( ) (黔弛) ；器j ( ) ( 一“工= =黔。萼j i 。； i 。世竺纂薯鬻滋 。 2 2 5 猝发操作 图2 1 0a 皿传输类型的例子 越 b 协议规定了8 种猝发操作，如表2 4 所示。按猝发长度可分为4 、8 、1 6 拍、单个传 输和不定长度猝发；按地址的变化特征可分为递增式猝发和环绕式猝发。递增式猝发中，地 址是连续增加的。而环绕式猝发中，如果传输的起始地址没有按猝发长度( 按字节数计算，等 于节拍数传输尺寸) 对齐，则当地址递增到地址边界时将环绕返回。 表2 4 猝发操作的类型 h b u r s t 2 ：0 】 类型描述 0 0 0s i n g l e单个传输 0 0 1 i n c r不定长度的递增式猝发 0 1 0w r a p 44 拍环绕式猝发 1 4 0 1 li n c r 4 4 拍递增式猝发 1 0 0w r a p 8 8 拍环绕式猝发 1 0 1i n c r 8 8 拍递增式猝发 1 1 0w r a p l 6 1 6 拍环绕式猝发 1 1 l i n c r l 61 6 拍递增式猝发 8 拍环绕式猝发操作如图2 1 1 所示。 雌l k 啪骁 雌毫【朱铘 脚啮* 啦t ：卅 删靛藏蘑翠：岫 h 帮雌 啦偿取蝴 h 剁的t 脚伽 h b 属氍1 柚i l 盘主 a r h 轴a t a 3 1 ：田 f 1他伯h删1 |t 7僧t 尊t l o l l 一 ) ( x 。默一x ( 一“一 ) ( ；) ( 一掰蛳：( ) 一般一 烈， ) ( x x x 一) ) ( o x x 一斑o m3 ( ；j ( o e) ( ) c 一 ) ( _ ) c j f ；j ( ) 。 题 ) ( j c ) 。c 爆 x x 双) 固置砭0 盔耀) 磁) 匿) 匮怒遁) 固灌) 墨) 。 vvvvvvvvv垃 ) 0 c鬈j - ) c 露! ) c _ j 蠕j c ；_ l 臻摇黔i 惩垤：淫黔”“惩￥：爝。 2 2 6 从设备传输响应 图2 1 18 拍环绕式猝发 在a h b 的数据传输过程中，从设备除了可以通过拉低h r e a d y 信号来延展总线周期外， 还会通过h r e s p 信号反馈更为详细的状态信息。h r e s p 可以反应4 种状态，如表2 5 所示( 本 文中未实现s p l i t 模式) 。 表2 5 从设备的传输响应 h r e s p i ：o 】 类型描述 0 0o k a y 数据传输正常 0 1e r r o r 出现错误 i or e l r y 当前传输没有完成，请求重拭，不主动释放总线 1 1 s p l i t 当前传输没有完成，请求重拭，主动释放总线 传输中发生错误的操作如图2 1 2 所示。 h c l k h a d d r 佟1 ：o 】 c o m r 。1 h w d a t a p l ：0 l h r e a a y h r e s p 瞄t ：o l h r d a t a 3 1 ：0 2 3a m b a a p b x j 鬟 a ) ( _ ! x舡 嬲c o t l b 怂艇 怂xx d a 垴 舡 x裂 一a尉 逮j 蹙) 囤( 垤殛您殛) 敷 删烈删 x _ _ | i 1 灌舡 图2 1 2 传输中发生错误 a p b 是a m b a 总线的一部分，特别适合于低功耗，低速度的外围设备的通信解决方案。 和a h b 总线一样，a p b 总线也是以时钟的上升沿为基准，完成各种操作。一个典型a m b a 系统中的a p b 总线如图2 1 3 所示。 2 3 1a p bs l a v e a i j i 吐幢加碰p 曲由蝴b 啦 。l o w p o a t 皇 l a 味c a 自d 啪| i n dc o f l t m j + $ 蚴口b d + s u 蛔u w f o r 嘶酌y 尊e 却h e r 脚s 图2 1 3 个典型a m b a 系统中的a p b 总线 a p b 总线中的外设都是以s l a v e 的形式接入的，a p bs l a v e 的接口图如图2 1 4 所示，其接 口简单灵活。各信号的详细描述见表2 6 ，表中的非向量信号其数据宽度均为1 。 制日 s i r 嘲 嵫 o 辞灯甜1 a p b s l a 垤, 图2 1 4a p bs l a v e 的接口图 表2 6a p bs l a v e 的接口信号 信号名方向 描 述 p c l k i n p u ta p b 总线的时钟信号，上升沿有效 p r e s e t n i n p u ta p b 总线的复位信号，低有效 p s e l x i n p u t a p b s l a v e 的片选信号，高有效 p e n a b l e i n p u t a p b 总线的使能信号 p a d d r 1 6 ：o ll n p u t a p b 总线的地址线 p w i u t e l n p u t a p b 总线的读写信号，高写低读 p w d a t a 31 ：0 i n p u ta p b 总线的写数据线 p r d a t a 31 ：o 】o u t p u ta p b 总线的读数据线 2 3 2 基本传输 a p b 操作的状态图如图2 1 5 所示：i d l e 是开始时的默认状态，当有数据传送发生时， 总线立即转到s e t u p 状态。s e t u p 状态下，p s e l x 信号被启动。总线在s e t u p 状态只停留一个 时钟并在下一个时钟的上升沿，无条件地转到e n a b l e 状态。e n a b l e 状态下，p e n a b l e 信号被 启动，总线同样在e n a b l e 状态只停留一个时钟，其后若有数据传送发生，则直接转至s e t u p 状态，若无数据传送发生，则返回i d l e 状态。 篆一 惭 n ot r a n s 铀f t r a r t 耐e r n ot r a n s f o r 图2 1 5a p b 操作的状态图 a p b 的写操作时序图如图2 1 6 所示，读操作时序图如图2 1 7 所示。 p c l k p a d d r p w r 塍 p s 基l p e 直l e p w d 强 t t t 2t41 5 ；1 1 蛸由， 一一。l 拶 l ； !；i i ! 尉 l 强 ! iii i li i 厂一 i i h 籀嘛1掰 j i ，、 图2 1 6a p b 的写操作 g p 曲a 畦 科- 恫挥 p 葛i 目l 笋制 鸯l 苣 p 霄n m 1 2倦t4t 5 ! 魁卅时1 1 r _ _ 1 隅 l ! 灯吼 i i i旷； i i 壤穰黪嚣搿| 嚣黼d g h1j l 锺 ，、乙、 ， 、； 图2 1 7a p b 的读操作 第三章a m b a 总线平台的r t l 级设计与验证 3 i 总线平台概述 a m b a 总线平台的结构如图3 1 所示，包括一个a r m 处理器，一个d m a 控制器，必要的 a h b 仲裁器和a h b 译码器，还有a p b 桥接模块。通过a p b 桥接入平台的外设有u a r t ，吊断控制 器i n t c 和定时器t i m e r s 。埘脚下面将一一介绍各个模块的实现方法。 3 2 a r m 核的w r a p p e r 图3 1a m b a 总线平台 ( 1 ) 功能描述 c p u 核在接 a h b 总线时，必须先设计