（信息与通信工程专业论文）usb20设备控制ip核中ahb接口的研究.pdf

摘要 摘要 随着集成电路深亚微米制造工艺和设计技术的不断发展，越来越多的集成电 路设计将整个电子系统集成在单个芯片内，即“片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ”。 s o c 技术已经成为现在超大规模集成电路设计的发展趋势，特别是嵌入式设计中 应用广泛。s o c 技术显著提高了设计的集成度。并且通过对知识产权核 ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ) 的复用，能提高设计利用率，加快产品设计周期。而 当今嵌入式设备，通常作为p c 机外设，一般采用u s b 总线和p c 通信。所以设计 一种用于s o c 设计的u s b2 0 设备控制l p 核，具有很大的实用价值。 本文首先概述了嵌入式系统中常用的s o c 和片上总线技术，并简单介绍了 u s b2 0 和a h b 两种总线协议的特点，还提出了在设计中需要注意的地方，包括 上层协议和功能的选择等。 然后，本文描述了u s ba h b1 p 核的系统设计，包括应用环境、规格设计和 总体模块划分。接着按照是否和应用相关、是否可复用的标准，把设计分为两部 分来详细阐述设计。和应用相关的部分主要是数据控制、寄存器、中断、解码、 多路选择模块，这些模块基本不能复用。和应用无关的a h b 接口模块，包括一个 a h bm a s t e r 和一个a h bs l a v e ，都是采用可复用的设计方法，可以被其他设计复 用。 最后，本文介绍了职核的模块功能验证、系统验证以及f p g a 上的业务测试。 并给出了业务测试中的实际性能参数表明u s b _ a h b 球核的设计正确实现了规 格书中的功能要求，并且有较好的实际性能。 关键词：u s b 、a h b 、i p 、s o c a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv d s m ( v e r yd e e ps u b - m i c r o n ) m a n u f a c t u r ea n d d e s i g n t e c h n o l o g i e si ni n t e g r a t e dc i r c u i ti n d u s t r y , t h e r ea r em o r ea n dm o r ei cd e s i g ni n t e g r a t e t h ew h o l ee l e c t r o n i c a ls y s t e mo nas i n g l ec h i p t h i sd e s i g ns o l u t i o ni sc a l l e ds o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，w h i c hh a sb e c o m et h et r e n do fv l s l ( v e r yh g cs c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i t ) d e s i g n ，e s p e c i a l l y i ne m b e d e dd e s i g n t h es o ct e c h n o l o g y r e m a r k a b l y i m p m v 髂t h ei n t e g r a t e dl e v e lo f i cd e s i g n ，s h o r t e n e sd e s i g nc y c l e ，a n dd e s i g n e rc a nu s e m o r ei ps o u t 铭s n o w a d a y s , a st h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t u s u a l l y , e m b e d e dd e s i g no f t e n u s eu s bt oc o m m u n i c a t ew i t hp c t h e r e f o r ei ti sv e r yv a l u a b l et od e s i g nau s b2 0 d e v i c eo a n t r o li pc o r ei ns o c f i r s t l y , t h e d i s s e r t a t i o n s i m p l y i n t r o d u c e ss o ca n do c b ( o nc h i p b u s ) t e c h n o l o g i e s ，w h i c ha r eu s u a l l yu s e d i ne m b e d e ds y s t e m i ta l s oi n t r o d u c e s c h a r a c t e r i s t i c so ft h eu s b2 0a n da h bp r o t o c o l ，a n da n a l y s e st h ep o i n t sw h e r ew e m u s tp a ya na t t e n t i o ni nd e s i g n i n g , i n c l u d i n gh i g h e rp r o t o c o la n dc h o o s i n gf u n c t i o n b e s i d e s , t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h es y s t e md e s i g no ft h eu s b _ a h bi pc o r e ， i n c l u d i n go p e r a t i o n a le n v i r o n m e n t ，s p e c i f i c a t i o nd e s i g na n ds y s t e mm o d e lp a r t i t i o n t h e ni te l a b o r a t e l yd e s c r i b e st h em o d e ld e s i g ni nt w od i f f e r e n tw a y s t h ef i r s to n ei s c o r r e l a t i v ew i t hu s i n ga n df a nn o tb er e u s e d ，c o n t a i n i n gd a t ac o n t r o l ，r e g i s m r i n t e r r u p t ， d e c o e da n dm u x 。w h i l et h eo t h e ri si n r e s p r 虻t i v ew i t hu s i n ga n dc a nb cr e u s e db ya n o t e r d e s i g n ，c o n t a i n i n gaa h b m a s t e ra n daa h bs l a v e l a s t l y , t h e i pc o r es u c c e s s f u l l yp a s s e st h em o d e lf u n c t i o nv e r i f i c a t i o n ，s y s t e m v e r i f i c a t i o na n dt h et r a n s a c t i o nt e s t 佣f p g a i ti n d i c a t e st h a tt h ed e s i g no ft h e u s b _ a h bi i c o r eh a sa c h i e v e dt h ef u n c t i o n si nt h es p e c i f i c a t i o na c c u r a t e l y t h e d i s s e r t a t i o nh a ss o m ep r a c t i c ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sf r o mt h et r a n s a c t i o nt e s t ， i n d i c a t i n gt h eg o o dp e r f o m a n c eo ft h ei pc o r e k e yw o r d s ：u s b 、a h b 、i f 、s o c n 豳目录 图目录 圈2 qd s b 系统总线拓扑幽。5 i 警i2 2u s b 系统层次结构图6 图2 - 3u s b 通信流一6 幽2 4 控制传输。7 嘲2 - 5 同步传输一，8 幽2 - 6 中断i n 传输，一8 幽2 - 7 批域i n 传输，一，9 图2 - 8 批埘o u t 传输一9 幽3 - 1 典型的a m b a 系统1 l 型3 之a h b 总线结构一。1 2 豳3 - 3 带w a i t 的a h b 传褊时序一。1 5 幽3 4m a s t e r 总线控制权切换时序酗。1 6 圈4 - 1u s ba h bi p 麻h j 环境1 9 幽4 - 2u s ba h bi p 总体结构模块分布幽2 2 幽4 - 3d p r a m 例化圈，一2 5 l 鳘 4 41 f1 3 m a 方式数据传输一2 7 图4 1 5a h bm a s t e rd m a 数据传输一。2 7 图4 - 6 a h bs l a v ed m a 数据传输一。2 8 图4 7 寄存器数据传输2 8 图5 - 1m u x 模块电路i 璺l “，一。3 8 图6 - lm a s t e r 状态转换酗4 l 幽6 - 2m a s t e r 产生b u r s t 类删的一般流鞋圈4 4 图6 - 3m a s t e r 对d p r a m 止常读时序一4 5 幽6 4m a s t e r 渎d p r a m 时，h r e a d y m 一= 0 4 5 豳6 - 5m a s t e r 读d p r a m 时h g r a n t mj = 0 4 6 图6 - 6m a x t e r 读d p k a m 时，b u r s t 结粜，4 6 圈6 - 7m a s t e r 读d p r a m 时，d m a 结束一。4 7 幽6 - 8m a s t e r 读d p r a m 时，s i n g l e 传输4 7 幽6 - 9 s l a v e 状态转换凹4 8 斟6 - t 0s l a v e 读d p r a m 的正常时序5 2 图6 - 1 1b u s y 时。s l a v e 读d p r a m 的时序5 2 幽6 - 1 2i d l e 时，s l a v e 读d p r a m 的时序，5 3 幽6 - 1 3s l a v e 处理提前终】tb u r s t 传输的时序( h s e l 变化) 。5 3 圈6 - 1 4m a s t e r 、s l a v e 同时读缓冲的情况一5 4 图6 - 1 5m a s t e r 、s l a v e 同时弓缓冲的情况5 4 笙l6 - 1 6 外部d m a 控制器接口时序幽5 s 图7 1m a s t e r 读操作时序一5 7 幽7 - 2s l a v e 写操作时序 幽7 - 3s l a v ed m a 接口时序 5 7 5 8 图7 4 多d m a 申请和i 控制时序，。5 8 圈7 - 5c y r l 控制的多事务长度d m a s 9 v i 图目录 幽7 6 u s ba h b i p 验证环境图 图7 - 7 业务测试环境， v 6 0 6 2 表3 - 1 a h b 信号线表 表4 - 1u s b _ a h bi p 规格表 表目录 表目录 表4 - 2d p r a m 地址分配表 表4 - 3 各端点缓冲犀地址分配表。 表5 1 各种d m a 的控制中断表 1 9 表5 2u s b2 0d e v i c e 总中断向越丧“3 5 表5 - 3 a h b 接1 3 寄存器表3 6 表6 - lm a s t e r 状态转换表 表6 2s l a v e 状态转换表 4 1 。4 8 n 缩略词表 缩略词表 英文缩写 英文全写中文注释 l p i n t e i l c c t u a ! p r o p e r t y 知识产权 v i pv e r i f i c a t i o ni p验证i p 通i j 串行总线。最早i 扫c o m p a q 、i n l e l ，m i c r o s o f t 禾i n e c 等儿家人公司联台制订的钎对p c 结构 u 蛐 u n i v e r s a ls e r i a lb u s 总线扩展协议的一种l ：业标准，现在通h 的有 u s b i i 羽i u s b 2 0 两个版本。 u s b2 ot r a n s c e i v e r u s b 接收器宏单元接口规范。u s b j i p h y 之间 u t m l m a e r a t e | ii n t e f f a c e竹绥c l 规范。 串行接口引擎。主要完成u s b 协议中数据链路 s i es e r i a li n t e r f a c ee n g i n e 层的部分功能。 菥名r i s c 致计企业，本文档也把其r i s cm c l i a r ma d v a n c e dr 捻cm e c h i 豇e s 统际为a r m 。 a d v a n c e dm i c w c o n t r o l l e r a m b a a r m 公司的系统总线结构 b u sa r c h i t e c t u r e a d v a n c e d a h 8 a m b a 中规定的片上系统总线 h i g h - p e r f o r m a n c eb u s m d m a m a s t e rd m aj j l l 部d m a 控制锫控制的d m a 传输 s d m as l a v ed m a中访外部d m a 控制器控制的 i x 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 为获得电子科技大学或其它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。 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名：壳密狂导师签名：“剧卢抄己 日期：年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 u s b 2 0 ( 通用串行总线) 是由c o m p a q 、h p 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 、n e c 和p h i l i p s 制定的一种计算机外设连接规范f 1 i i 刁。理论上它可提供4 8 0 m b p s ( 6 0 m b p s ) 的高速数掘传输，具有即插即用、热插拔、接口体积小巧、节省系统资源、传输 可靠、提供电源、良好的兼容性、共享式通信、低成本等优点。由于u s b 接口的 优点和流行，当今嵌入式设计要和p c 连接，首选u s b 接口。许多公司都开发了 u s b 设备控制芯片1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 7 1 。 a r m 公司提出的a m b a 总线1 9 l ，由于其本身的高性能和a r m 处理器的广 泛应用，已经成为s o c 设计中使用广泛的总线标准。a m b a 2 0 中的a h b ，采用 地址，数掘分离格式，支持固定长不定长猝发( b u r s t l 交易、分裂( s p l i t ) 交易特性 和多个主设备的总线管理，具有高带宽、高性能特性，适合于嵌入式处理器与高 性能外围设备、片内存储器及接口功能单元的连接。 根据两种总线的特点和广泛支持，为了给嵌入式s o c 系统提供u s b 接口，需 要设计的u s b 和a h b 问的桥接i p 核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ) 。本文介绍u s b 2 0 设备控制器i p 中的a h b 接口部分设计。 1 2s o c 及片上总线o c b 概述 片上系统( s o c ) 是在一块芯片上集成整个电子系统，这是在2 0 世纪9 0 年 代出现的的概念。它是集成电路技术中发展较快的方向，已经成为了超大规模集 成电路( v l s i ) 发展的趋势和主流。传统的集成电路设计技术注重模块的功能设 计，模块重用性差，侧重于电路的集成。而s o c 设计技术侧重于整个系统的集成， 其重点为系统功能的分析，软硬件协同设计与验证、邛的生成与复用、多层次验 证环境、可测性设计、低功耗设计等【l l 】【1 2 】1 1 3 1 1 1 4 1 。 i p 核是先前设计好的电路功能模块，而i p 核的使用是当前s o c 设计的显著 特征。人们可以通过购买或自己拥有l p 库，来利用这些现有的资源，加快设计和 验证的进度，提前产品的上市时间，这对于现代电子产品是否成功是关键因素。 s o c 中的i p 复用不同与传统设计中的复用概念。前者的复用规模更大，范围更广。 电f 科技人学硕十学何论文 其次传统复用局碾于设计小组内部，或针对特定的工艺，是在封闭流程中的复甩。 而i p 复用技术是一个丌放的概念，一个i p 可以在不同工艺中被不同的团队所复用。 在实际设计中，对各种i p 核的有效互联受到重视。为了更快速、高效的集成i p 孩。迫切需要一种标准的互联方案，从而产生了片上总线( o nc h i pb u s ，o c b ) 技术。目前已经有四种总线标准较有影响力1 1 5 】【1 6 l ：a r m 公司的a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l c rb u sa r c h i t e c t u r e ) i b m 公司的c o r c c o n n e c t ，s i l i c o r e c o r p 公司的 w i s h b o n e 和a l t e r a 公司的a v a l o n f l 0 】f j l j 他们各自的特点是：a m b a 总线拥有较多 的第三方支持。被大多数a r m 公司的合作伙伴采用，已经得到广泛的使用： w i s h b o n e ，具有简单性和灵活性，并且只有一个接口标准，不需总线上的桥接没 备，关键足完全免费；c o r e c o n n e c t ，经过精心的设计，拥有很多特性，适用于较 复杂的s o c 设计。这些特性在嵌入式设计中不常用；a v a l o n ，主要甩于a l t e r a 公 司的可编程器件( p l d ) 中，最大优点足配置简单，可以由e d a 工具快速生成。 出于我们设计是基于a r m 公司的m c u ，所以选用a m b a 协议中的a h b 作 为片上总线。 1 3 本文课题来源、目标和本人任务 本课题束源于课题组与校外公司的合作项目，主要为基于a m b a 总线的5 0 c 系统提供u s b2 0 设备端接口功能。本论文属于该课题的一部分。 本课题的目的是用v e f i l o g 在r l t 缴实现u s b _ a h bi p 核，并且用s y n o p s y s 的u s b 和a h b 验证l p 充分验证设计的乖确性，并且在f p g a 上完成测试，最后 实现u 盘的业务测试。 本i p 核主要实现以下功能： 与高速u s b2 0 规范兼容，并可使设备能向下兼容u s b l 1 产品； 与u s b2 0u t m i ( t r a n s c e i v e rm a c r o c e l ii n t e r f a c e ) 和u l p l 接口规范兼 容； 适应u s b2 0 p h y 操作； 芯片内部的u s b 传输支持1 2 m b s 、4 8 0 m b s 模式； 灵话的瑞设备配置： 支持a m b ar e v2 0 中规定的a h b 总线协议； 内置d m a 控制器： 减少c p u 利用率，采用多d m a 传输技术； 2 第一章绪论 业务u 盘支持w i n d o w s x p 操作系统。 本人在项目中承担的工作： 参与项目的规格确定、模块划分、接口定义、总体方案设计： a h b 接口和数据控制部分的详细方案设计、代码设计和所编写模块的模 块级验证； 协助e d a 系统仿真。f p g a 阶段通道测试，u 盘业务测试。 1 4 本文结构 本文一共分为七章。第一章简单介绍了嵌入式系统中常用的s o c 和片上总线 技术。以及课题的来源、目标和本人工作。第二，三章分别介绍了u s b 和a h b 协议，并分析了和课题相关的注意点。第四章插述了u s b _ a h bi p 核的系统设计， 并对本人的工作划分模块。第虹章阐述了和应用相关的数据控制部分的详细设计。 第六章详细描述了和应用无关a h b 接口设计。其接口模块可以复用最后的第七 章介绍了对i p 的功能验证、系统验证和硬件上业务测试，并给出了业务测试中的 实际性能参数，表明了i p 的性能。 电子科技人学硕十学位论文 第二章u s b2 0 协议简介 本设计足设计u s b2 0 接口i p 核，必须按照u s b 协议进行设计，有必要先对 u s b2 0 的拚议原理进行简单的介绍f ，j 【矧。 2 1u s b 协议总麓 u s b2 0 接口足一个传输速率可以达到4 8 0 m b p s 的串行接口，并由不同类型 的外围设备共享这个接口总线。一个主机最高可以通过u s b 总线控制1 2 7 个外设。 u s b 主机是整个总线的主控者，掌握所有的控制权，总线上的通信都是由主机束 发起。主机负责向各个外设发出各种命令和配置。u s b 是基于令牌包的通信协议。 主机在总线上发送含有设备地址和命令的令牌包，这时总线上符合该地址的设备 将接收这个包。并r 按照令牌包的内容进行椰悫的拯 乍。另外董机会定时发送帧 开始包，将总线时日j 分割为1 2 5 9 s 一帧( u s b l 1 为l m s 一帧) 。所有总线上的发 备就会以时蒯分割的方式束分享总线带宽。 2 。2u s b 的系统结构 u s b 为了统一p c 机的外设接口总线，需要有清晰的拓扑结构，较强的扩展性， 并且需要支持多种传输方式。以适应千变万化的p c 外设接口应用。 2 2 1 总线的拓1 1 、结构 u s b 系统的总线拓扑结构是一个余字塔结构，包括以下三个部分：u s b 主机 ( 唯- - ) 、u s b 内连中继器( h u b ) ，u s 8 设备。其总线拓孝卜图如图2 - 1 所示。 4 第二章u s b2 0 简介 2 2 2 内部层次关系 图2 - 1u s b 系统总线拓扑图 在实际的应用系统中，不同层次的实现者对u s b 的有不同要求，这使得我们 必须从不同的层次观察u s b 系统。u s b 系统的分层概念能使不同层次的实现者只 关心u s b 相关层次的特性功能细节，而不必掌握从硬件结构到软件系统的所有细 节。一个u s b 设备对于u s b 系统来讲就是一系列端点的集合。不同的端点集合组 成了不同的接口。客户软件对接口进行操作。系统软件通过u s b 设备的端点0 对 系统进行设置，而在底层，主机和设备通过u s b 电缆进行数据交换。如图2 2 所 示： 电子科技人学硕十学位论文 生机瓦连u s b 设蔷 2 2 3 数据流模式 幽2 - 2u s b 系统屡次结构幽 图2 3 说明了数据如何在主机倾j l e e 的内存缓冲和设备中的端点中传送。主机上 的软件通过一系列的通信流与逻辑设备进行通信。这一系列的通信流是由u s b 设 备的软件和硬件设计者选择的，使设备能传送由u s b 提供的字符。 图2 - 3u s b 通信漉 6 第二章u s a2 0 简介 u s b 是为主机软件和它的u s b 应用设备间的通信服务的，对客户与应用间不 同的交互，u s b 设备对数据流有不同的要求。u s b 允许各种不同的数据流相互独 立地进入一个u s a 设备，每种通信流都采取了某种总线访问方法来完成主机上的 软件与设备之间的通信。每个通信都在设备上的某个端点结束。不同设备的不同 端点用于区分不同的通信流。 2 。3 u s a 传输模式 u s b 协议规定了4 种传输模式以适应不同的应用环境，这几种传输方式在数 据格式，总线访问的限制，延时的限制，出错处理等方面都有不同的特征。每种 传输方式一个完整的传输通常包含几个阶段，如设置阶段，数据阶段和状态阶段 但并非所有的传输方式都包含所有的阶段。以下为4 种传输方式： 2 3 1 控制传输 是可靠的、非周期性的、出主机软件发起的请求或者回应的传送通常用于 命令事务和状态事务。主机通过端点0 对设备进行配置都是通过控制传输来完成。 一个控制传输由设置阶段，数据阶段和状态阶段组成。如图2 - 4 所示。其中数 据阶段是可选部分，是否存在数据阶段出不同的控制命令决定。 囝圆 圈圆 圆圆 7 s e t u p s t a g e d a t a s t a g e f o p o o n a f s t a t u s s t a g e 画厕画 电子科技人学硕十学位论文 2 。3 2 同步传输 用于在主机与设备之间的周期性的、连续的通信。一般用于传送与时问相关 的信息。这种类型保留了将时间概念包含于数据中的能力。如影音文件的播放通 常通过同步传输模式。 同步传输只有数据阶段，而且一个特点就是数据阶段没有握手，这和同步传 输要求连续的通信特点是相联系的。图2 5 是一个同步i n 传输。 2 3 3 中断传输 图2 - 5 同步传输 小规模数据的、低速的、固定延迟的传送模式。 中断传输只包含数据阶段，由主机定时向设备发i n 包来获得设备的中断信息 从而决定下一步的操作。图2 - 6 为中断i n 传输。 2 3 4 批量传输 圄画画 幽2 - 6 中断i n 传输 非周期性的，大包的可靠的传送。主要用于传送那些可以利用任何带宽的数 据，而且这些数据当没有可用带宽时，可以容忍等待。 中断传输只包含数据阶段。通常用于对时日j 没有严格要求的数据传输。图2 7 为批量i n 传输。图2 8 为批量o u t 传输。 8 第二章u s b2 0 简介 图2 - 7 批鼋州传输 圈2 - 8 批量o u t 传输 2 4u s b 协议中需要注意的地方 由于u s b 本身有命令需要m c u 解析，还有上层协议也需要m c u 的处理， 所以我静 应用环境中零要m c u 模块，默认为a r m 公司的m c u 。 需要注意的是u s b 的上层协议可能知道要传输的数据长度如b u l k o n l y i 踟，也可能不知道，如t c p i p 。针对这两种应用方案，我们d m a 的传输流 程有不同，前者是精确模式，后者是非精确模式，具体细节见5 1 4 。 2 5 本章小结 本章对u s b2 0 协议的些原理进行了简单的讲解，提出了系统应用中需要 m c u 解析协议。并且指出针对不同的上层协议，有不同的控制流程这是在设计 中应该注意的。 9 圆 圆图画 电子科技人学硕+ 学位论文 第三章a h b 协议分析 3 1a m b a 标准概述 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 ) 规范定义了高性能的标准 片上总线| 办议。在a m b a 规范中定义了三个不同的总线类型【9 j ： a h b ( a d v a n c e dh i 曲p e r f o r m a n c eb u s ) 总线 a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 总线 a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 总线 a m b a 规范还提供了一套测试和诊断模块肇元的方法。 1 、a h b 总线 a h b 总线适用于那些高带宽、高时钟频率的系统模块。a h b 总线担任高性 能系统的綮干总线，它能为处理器，片上存储器、d m a 控制器、其他接口等提供 高蔗织低功耗的总线互联。a h b 总线的舰范还为综合和自动测试这些高效设计 提供了方法。 2 、a s b 总线 a s b 总线同样适合应用于那些高性能的系统模块。a s b 总线适用于那些不需 要a h b 总线高性能特征的情况。是高性能总线选择的另一种方案。同样a s b 总 线也不但提供处理器之日j 的高效互联，而且也提供片上存储器和片外存储器低功 耗外围功能单元接口。 3 、a p b 总线 a m b aa p b 总线主要针对于低功耗和精简的外围设备接口。a p b 总线为其 外围设备降低功耗和接口复杂度提供了优化。a p b 总线能够与其他型号的系统总 线互联。 以a m b a 架构的s o c 系统包含一个高性能的系统总线( a h b 或a s b ) ， 用于连接有高带宽要求的系统模块，为m c u 和其他模块作d m a 提供强大的访存 带宽，以提高系统整体性能。同时a h b 或a s b 总线桥接到低带宽，低功耗的 a p b 总线，几乎所有的字符外围设备都挂在那罩，如图3 - 1 所示。a m b a a p b 总 线作为系统主要总线( a h b 或a s b ) 的二级总线给外围设备提供通信支持，这 些外围设备通常具有以下特征：通过内存映射访问内部寄存器，没有高带宽接口。 l o 第二章a h b 协议分析 所有的访问在程序的控制下。这样分为内部高时钟、高惶能，外部低时钟、低功 耗的结构，更适合s o c 的嵌入式设计需要。 姗a a i , i b h i g hp e r f o r m a n c e p i p e f i n e do 口e r a b o n m u m p l eb u 阳s 悖r 拿 。g u 阿t r a n # e c s s p = l t 切n s a c t i o n s m 队a s b 。h i g ht 耐o r m a n c e p i p e i n e do p e r a t c n m u i h p l eb u sm a 盛e 晤 站bb p b b o 蜘 a m e a a p l b l o w p o w e r l a t c h e da d d r e s s a n d c o o t t 。l s i r r , e l ei n t e 由 。乳拄酌 寻幻r m a n y 争醛p b e f o 每 幽3 1 典璎的a m b a 系统 最扔剐讧b a l 0 只有a s b 和a p b ，这些都是三奎的总线，其目的是为了节省 芯片的面积，降低成本。但是这对设计者有更高要求，需要更注意总线时序，并 且片上系统设计不鼓励使用三态总线。所以a m b a2 0 中加入了a h b ，改用非三 奎总线多路复用总线( m u l l i p l c x c r ) 架构，并增加很多新的特性。 3 2 a h b 总线分析 a h b 总线是针对于s o c 设计中高速、高敏、高带宽的系统总线而规定的。主 要有以下特点： 支持固定长，不固定长度的b u r s t 传输，还可以选择递增( i n c r ) 或卷绕 ( w r a p ) ： 支持r e t r y s f l i t 传输。後s l a v e 可以参与总线仲裁； 支持多个主设备的总线管理，总线使用权切换在一个时钟周期内完成； 支持更宽的数据总线( 8 到1 0 2 4 b i t s ) ，读写数据总线分离； 支持地址传输与数据传输分离的流水线操作，次传输只需要一时钟周 期。 电子科技人学硕十学位论文 3 2 1a h b 总线结构 a h b 整体结构如图3 2 。其主要的组成部分及其作用如下： 图3 2a h b 总线结构 总线主设备( m a s t e r ) ：主设备是系统中发起数据传输的设备。可以初始化读 和写只有主设备允许在任意时刻使用总线。a h b 可以有一个或者多个主设备。 主设备可以是r i s c 处理器、d s p 以及d m a 控制器等，只要是可以启动和控制总 线操作的部分。主设备在功能上可以分为两个部分：土设备功能部分和a h b 接口逻 辑部分。 总线从设备( s l a v e ) ：从设备负贵响应主设备的传输请求，并与主设备配合共 同实现数据传输。从设备通常是复杂程度小足以成为主设备的固定功能块，例如 外存接口、总线桥接1 3 以及任何内存都可以是从设备，系统的其他外设也包含在 a h b 的从设备中。从设备向主设备发出的反馈信号有：成功、失败、等待和s p l i t 等。a h b 从设备可以支持r e t r y s p l i t 操作，用于从设备对总线的仲裁提出要求， 但并不规定每一个从设备必须支持s p l i t 操作。 总线仲裁器( a r b i t e r ) ：仲裁器在多个主设备的系统中负责总线仲裁，保证在 任何时候只有一个主设备可以启动数掘传输。a h b 采用集中控制方式，每个主设 第二章a i b 协议分析 备与总线仲裁嚣之阐都有独立请求与应答信号。a h b 最多支持1 6 个总线主设备。 当总线空闲的时候，总线使用权被授予默认的主设备。此时该默认的总线主设备 负责向总线发出i d l e 传输。a r b i t e r 还负责给出总线多路转换器的控制信号、对 s p l i t 搡作的支持等。a h b 没有规定具体的总线优先算法。一般来滏对于一个特定 的系统仲裁协议都是固定好的，例如固定优先级算法和循环优先级算法，用户可 以根据实际的情况选择适当的仲裁协议。 中央译码器( d e c o d e r ) ：译码器负责实现系统的地址映射意图。d e c o d e r 通过 地址信号的译码产生从设备的选择信号。并负责总线多路器控制。没有任何从设 备被选定时，默认的从设备发出o k a y 应答。 3 2 2 盎h b 总线信号 a h b 信号线如表3 1 。 表3 1a h b 信号线表 a h b s i g n a l 线 信号来 信号名 说明 宽源 h r d a l a3 2s l a v ea h bm 懈读a 衄s l a v e 数据总线由从设备传劁土设备 h w d a c a3 2m a s 靶rm a s l e r t ：；s l a v e 数据总线，扶主竣嚣列内韶s l a v e h a d d r 3 2 m a s t e r a h bm a s t e r 对a h bs l a v e 的读写地址 b t t a a s2m a s l e ta h bm a s t e r 当前传输类玳，包括i d l e ，b u s y n o n s e q 。s e o h s i z e 3 m a s t e r a i mm a s l e r 传送的数据有效何宽。8 - - 1 0 2 4 b i t s a h bm a s l e r 传输的b u n t 传输类喇，包括s i n g l e 。i n c r 、i n c r 4 、 h b u r s t 3m a s t e r i n c r 8 ，i n c r l 6 w r a p 4 ，w r a f 8 ，w r a p l 6 a h bm a s t e r 端读写擞作控制信号 h w r i l e 1 m a s l e t hw r i t e ：o ：r e a d a h bm a s t e r 端a h b 总线中请线，这是来自主设备到仲裁器的信 h b u s r e q l m a s t e r 号。它表明主设备中请总线。高有效 括明了主致备是当前优先级最赢的士注备。总线控制权一般釜盔 h g r a n t 1a r b i l e t 传送完成的时候，这时i i f e a d y 信号为高，所以，一个主设备只能 在h r e a d v 币l h g r a n t 都为高的情况卜才能取得总线控制权 传送响应信号提供了传送状态信息，包括o k a y ，e r r o r 、 h t e s p 2 s l a v e r e t r y ，s p “t 电子科技人学硕士学位论文 a h bs i g n a l a h bm a s t e r , a r b i t e r 中请锁定总线控制权，高有效。 h l o c klm a s t e rh l o c k m = l ，本m a s t e r 请求锁定总线控制权 h l o c k m = 0 ，本m a s t e r 不请求锁定总线控制权： a h b 从敬器选择信号。指咀了与前传送将在选中的从设备上进行， h s e i la r b i t e r 高有效 传送响应信号提供了传送状态的额外信息。包括o k a y te r r o r 、 h r e s p 2s l a v e r e t r y ，s p l i t 。 指明总线上一次传送s l a v e 是否已经完成。 h r e a d y _ o u t ls l a v e l ；传送结求：0 ：传送扩展 0 t h e r 即所有s l a v e 的h r c a d y j u t 的“或”，指明其他s i a v e 的传输烂衙完 h r e a d 【y _ i n l s l a v e毕。 h p r o t 2 m a s t e r 主设番提供一些保护信息 需要注意的是： a h b 信号线都是非三态的； a h b 采用同步电路，时钟上升沿采样信号。a h b 读写数掘信号线分开，但是 这样没有充分利用两套数据总线的带宽。在a m b a3 0 中a x i 总线则改进了这个 问