USB20设备控制IP核中AHB接口的研究论文(PDF 75页).pdf

电子科技大学 硕士学位论文 USB2 0设备控制IP核中AHB接口的研究 姓名 左宏权 申请学位级别 硕士 专业 信息与通信工程 指导教师 林水生 20070101 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 问题 读写的数据信号线可以扩充到1 0 2 4 b i t s 为一些特殊的设计提供高带宽 对于S l a v e 来说 h r e a d y 信号有两个 一个是自己输出 表示自己的传输是否 完成 另一个是输入 表示其余S l a v e 的传输是否完成 而M a s t e r 只有一个h r e a d y 输入 这在A M B A 协议中指示不是很明确 M a s t e r 用h p r o t 信号表示一些保护信息 比如取操作码 o p c o d ef e t c h 或者数 据接入 d m aa c c e s s 总线上的M M U 存储器管理单元 还可以表示是否支持高 速缓存 c a c h c a b l e 或者n o tc a c h e a b l e 1 4 第二章A I t B 协议分析 3 2 3A H B 传输 图3 3 是A H B 简单的传输时序 H c u H D O q 割 e l C o o r J M n 例 哪 职己 口r f I R I X a T J q 3 1 e l 蚓锕l i l tl l n a a e 珀t ap I a l L 一 I l I 1 I 一 o 州 烈一m 麟 0 1 烈 D d I 0 I 烈 A 吐 烈XX 瞥 0 鳘j 3 3 带w a i t 的A H B 传输时序 当A r b i t e r 把A H B 总线分配给一个M a s t e r 并且以前的A H B 传输都结束时 这个M a s t e r 可以发起A H B 传输 A H B 传输分为地址相限 A d d r e s sp h a s e 和数 据帽限 D a t ap h a s e 两个部分 地址楣限用于M a s t e r 传送地址和控制信息 S l a v e 在下一个时钟上升沿接受这些信息 地址相限用于M a s t e r 和S l a v e 问传输数据 如果S l a v e 没有准备好数据传输 则拉低h r e a d y 让M a s t e r 等待 当准备好时 则拉高h r e a d y 同时发出或接受数据 并表示传输完成 A H B 为了提高总线效率 采用两级流水线 本次传输的地址相限和上次传输 的数据相限在时问上重叠 以加倍总线的带宽 因为A H B 是作为通用的S O C 总线标准而设立的 所以它需要支持多种传输 方式 以适合不同的应用 A H B 为了提高数据传输的效率 减少数据传输中的控 制代价 支持猝发传输 b u r s t 也就是多次传输的控制信息一至 可以提前准备 A H B 传输还分为递增和卷绕两种类型 为递增类型时 在一个猝发传输中 本次地址 上次地址 上次传输大小 为卷绕类型时 把地址空间划分为多个以 一次猝发大小 t r a n s f e rs i z e t r a n s f e rb e a t s 为单位的块 当地址要跨越边界时又 返回这个块的起始地址 这在A M B A 协议中有说明 卷绕有一个适用情况是 在 c a c h e 中的关键字优先技术中 可以在一个猝发传输大小内 先传后面地址的数据 提前启动c a c h e 1 9 1 电子科技人学硕十学 论文 3 2 4A H B 总线的申请与控制 图3 4 是A H B 总线申请和切换的时序图 A H B 中M a s t e r 用h b u s r e q 向A r b i t e r 申请总线控制权 T 1 T 3 A r b i t e r 选择最高优先级的M a s t e r 拉高它的h g r a n t N 号 T X T S 表示有权使用总线 但是此时总线有可能还被上次传输占用 T 5 等到h r e a d y 信号为商时爿 正式发起传输 T 2 T 7 可以看出 总线控制权的交 换 T 7 不需要额外的时钟周期 能高效切换 H G R A r rM I H O R I T J 舱 1 4 M A S 1 I R p 0 1 摊R E 0 节 7 L L L L 1 一 l l l l lX f I H n X 1H o h 一 j n 一 I I i l 1 1 I n f n A c n 上 I I J I I 一 X I I c X I 1 X X x I 警I E F I 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