引 言

嵌入式系統(tǒng)是當今計算機工業(yè)發(fā)展的一個熱點。隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，半導體工業(yè)進入深亞微米時代，器件特征尺寸越來越小，芯片規(guī)模越來越大，可以在單芯片上集成上百萬到數億只晶體管。如此密集的集成度使我們現在能夠在一小塊芯片上把以前由CPU和若干I/O接口等數塊芯片實現的功能集成起來，由單片集成電路構成功能強大的、完整的系統(tǒng)，這就是我們通常所說的片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）。由于功能完整，SoC逐漸成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主流。

SoC相比板上系統(tǒng)，具有許多優(yōu)點：

① 充分利用IP技術，減少產品設計復雜性和開發(fā)成本，縮短產品開發(fā)的時間；

② 單芯片集成電路可以有效地降低系統(tǒng)功耗；

③ 減少芯片對外引腳數，簡化系統(tǒng)加工的復雜性；

④ 減少外圍驅動接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快了數據傳輸和處理的速度；

⑤ 內嵌的線路可以減少甚至避免電路板信號傳送時所造成的系統(tǒng)信號串擾。

SoC的設計過程中，最具特色的是IP復用技術。即選擇所需功能的IP（給出IP定義）核，集成到一個芯片中用。由于IP核的設計千差萬別，IP核的連接就成為構造SoC的關鍵。片上總線（On-Chip Bus，OCB）是實現SoC中IP核連接最常見的技術手段，它以總線方式實現IP核之間數據通信。與板上總線不同，片上總線不用驅動底板上的信號和連接器，使用更簡單，速度更快。一個片上總線規(guī)范一般需要定義各個模塊之間初始化、仲裁、請求傳輸、響應、發(fā)送接收等過程中驅動、時序、策略等關系。

由于片上總線與板上總線應用范圍不同，存在著較大的差異，其主要特點如下：

① 片上總線要盡可能簡單。首先結構要簡單，這樣可以占用較少的邏輯單元；其次時序要簡單，以利于提高總線的速度；第三接口要簡單，如此可減少與IP核連接的復雜度。

② 片上總線有較大的靈活性。由于片上系統(tǒng)應用廣泛，不同的應用對總線的要求各異，因此片上總線具有較大的靈活性。其一，多數片上總線的數據和地址寬度都可變，如AMBA AHB支持32位~128位數據總線寬度；其二，部分片上總線的互連結構可變，如Wishbone總線支持點到點、數據流、共享總線和交叉開關四種互連方式；其三，部分片上總線的仲裁機制靈活可變，如Wishbone總線的仲裁機制可以完全由用戶定制。

③ 片上總線要盡可能降低功耗。因此，在實際應用時，總線上各種信號盡量保持不變，并且多采用單向信號線，降低了功耗，同時也簡化了時序。上述三種片上總線輸入數據線和輸出數據線都是分開的，且都沒有信號復用現象。

片上總線有兩種實現方案，一是選用國際上公開通用的總線結構；二是根據特定領域自主開發(fā)片上總線。本文就目前SoC上使用較多的三種片上總線標準——ARM的AMBA、Silicore的Wishbone和Altera的Avalon進行討論，對三者特性進行分析和比較。

1、 AMBA總線

AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）總線規(guī)范是ARM公司設計的一種用于高性能嵌入式系統(tǒng)的總線標準。它獨立于處理器和制造工藝技術，增強了各種應用中的外設和系統(tǒng)宏單元的可重用性。AMBA總線規(guī)范是一個開放標準，可免費從ARM獲得。目前，AMBA 擁有眾多第三方支持，被ARM公司90%以上的合作伙伴采用，在基于ARM處理器內核的SoC設計中，已經成為廣泛支持的現有互聯標準之一。AMBA總線規(guī)范2.0于1999年發(fā)布，該規(guī)范引入的先進高性能總線（AHB）是現階段AMBA實現的主要形式。AHB的關鍵是對接口和互連均進行定義，目的是在任何工藝條件下實現接口和互連的最大帶寬。AHB接口已與互連功能分離，不再僅僅是一種總線，而是一種帶有接口模塊的互連體系。

AMBA總線規(guī)范主要設計目的如下：① 滿足具有一個或多個CPU或DSP的嵌入式系統(tǒng)產品的快速開發(fā)要求；② 增加設計技術上的獨立性，確?？芍赜玫亩喾NIP核可以成功地移植到不同的系統(tǒng)中，適合全定制、標準單元和門陣列等技術；③ 促進系統(tǒng)模塊化設計，以增加處理器的獨立性；④ 減少對底層硅的需求，以使片外的操作和測試通信更加有效。

AMBA總線是一個多總線系統(tǒng)。規(guī)范定義了三種可以組合使用的不同類型的總線：AHB（Advanced High-performance Bus）、ASB（Advanced System Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）。

典型的基于AMBA的SoC核心部分如圖1所示。其中高性能系統(tǒng)總線（AHB或ASB）主要用以滿足CPU和存儲器之間的帶寬要求。CPU、片內存儲器和DMA設備等高速設備連接在其上，而系統(tǒng)的大部分低速外部設備則連接在低帶寬總線APB上。系統(tǒng)總線和外設總線之間用一個橋接器（AHB/ASB-APB-Bridge）進行連接。

AMBA的AHB適用于高性能和高時鐘頻率的系統(tǒng)模塊。它作為高性能系統(tǒng)的骨干總線，主要用于連接高性能和高吞吐量設備之間的連接，如CPU、片上存儲器、DMA設備和DSP或其它協處理器等。其主要特性如下：

支持多個總線主設備控制器；

支持猝發(fā)、分裂、流水等數據傳輸方式；

單周期總線主設備控制權轉換；

32~128位數據總線寬度；

具有訪問保護機制，以區(qū)分特權模式和非特權模式訪問，指令和數據讀取等；

數據猝發(fā)傳輸最大為16段；

地址空間32位；

支持字節(jié)、半字和字傳輸。

AMBA的ASB適用于高性能的系統(tǒng)模塊。在不必要適用AHB的高速特性的場合，可選擇ASB作為系統(tǒng)總線。它同樣支持處理器、片上存儲器和片外處理器接口與低功耗外部宏單元之間的連接。其主要特性與AHB類似，主要不同點是它讀數據和寫數據采用同一條雙向數據總線。

AMBA的APB適用于低功耗的外部設備，它已經過優(yōu)化，以減少功耗和對外設接口的復雜度；它可連接在兩種系統(tǒng)總線上。其主要特性如下：

低速、低功耗外部總線；

單個總線主設備控制器；

非常簡單，加上CLOCK和RESET，總共只有4個控制信號；

32位地址空間；

最大32位數據總線；

讀數據總線與寫數據總線分開。

2 、Wishbone總線

Wishbone最先是由Silicore公司提出的，現在已被移交給OpenCores組織維護。由于其開放性，現在已有不少的用戶群體，特別是一些免費的IP核，大多數都采用Wishbone標準。

Wishbone總線規(guī)范是一種片上系統(tǒng)IP核互連體系結構。它定義了一種IP核之間公共的邏輯接口，減輕了系統(tǒng)組件集成的難度，提高了系統(tǒng)組件的可重用性、可靠性和可移植性，加快了產品市場化的速度。Wishbone總線規(guī)范可用于軟核、固核和硬核，對開發(fā)工具和目標硬件沒有特殊要求，并且?guī)缀跫嫒菀延兴械木C合工具，可以用多種硬件描述語言來實現。 Wishbone總線規(guī)范的目的是作為一種IP核之間的通用接口，因此它定義了一套標準的信號和總線周期，以連接不同的模塊，而不是試圖去規(guī)范IP核的功能和接口。

Wishbone總線結構十分簡單，它僅僅定義了一條高速總線。在一個復雜的系統(tǒng)中，可以采用兩條Wishbone總線的多級總線結構：其一用于高性能系統(tǒng)部分，其二用于低速外設部分，兩者之間需要一個接口。這個接口雖然占用一些電路資源，但這比設計并連接兩種不同的總線要簡單多了。用戶可以按需要自定義Wishbone標準，如字節(jié)對齊方式和標志位（TAG）的含義等等，還可以加上一些其它的特性。Wishbone的一種互連結構如圖2所示。

靈活性是Wishbone總線的另一個優(yōu)點。由于IP核種類多樣，其間并沒有一種統(tǒng)一的間接方式。為滿足不同系統(tǒng)的需要，Wishbone總線提供了四種不同的IP核互連方式：

點到點（point-to-point），用于兩IP核直接互連；

數據流（data flow），用于多個串行IP核之間的數據并發(fā)傳輸；

共享總線（shared bus），多個IP核共享一條總線；

交叉開關（crossbar switch）（圖2），同時連接多個主從部件，提高系統(tǒng)吞吐量。 還有一種片外連接方式，可以連接到上面任何一種互連網絡中。比如說，兩個有Wishbone接口的不同芯片之間就可以用點到點方式進行連接。

Wishbone總線主要特征如下：

所有應用適用于同一種總線體系結構；

是一種簡單、緊湊的邏輯IP核硬件接口，只需很少的邏輯單元即可實現；

時序非常簡單；

主/從結構的總線，支持多個總線主設備；

8~64位數據總線（可擴充）；

單周期讀寫；

支持所有常用的總線數據傳輸協議，如單字節(jié)讀寫周期、塊傳輸周期、控制操作及其它的總線事務等；

支持多種IP核互連網絡，如單向總線、雙向總線、基于多路互用的互連網絡、基于三態(tài)的互連網絡等；

支持總線周期的正常結束、重試結束和錯誤結束；

使用用戶自定義標記（TAG），確定數據傳輸類型、中斷向量等；

仲裁器機制由用戶自定義；

獨立于硬件技術（FPGA、ASIC、bipolar、MOS等）、IP核類型（軟核、固核或硬核）、綜合工具、布局和布線技術等。

3 、Avalon總線

Avalon總線是Altera公司設計的用于SOPC（System On Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng)）中，連接片上處理器和其它IP模塊的一種簡單的總線協議，規(guī)定了主部件和從部件之間進行連接的端口和通信的時序。

Avalon總線的主要設計目的如下：① 簡單性，提供一種非常易于理解的協議；② 優(yōu)化總線邏輯的資源使用率，將邏輯單元保存在PLD（Programmable Logic Device，可編程邏輯器件）中；③ 同步操作，將其它的邏輯單元很好地集成到同一PLD中，同時避免復雜的時序。

傳統(tǒng)的總線結構中，一個中心仲裁器控制多個主設備和從設備之間的通信。這種結構會產生一個瓶頸，因為任何時候只有一個主設備能訪問系統(tǒng)總線。Avalon總線的開關構造使用一種稱之為從設備仲裁（Slave-side arbitration）的技術，允許多個主設備控制器真正地同步操作。當有多個主設備訪問同一個從設備時，從設備仲裁器將決定哪個主設備獲得訪問權。圖3是一個多主設備同時訪問存儲器的例子。在此系統(tǒng)中，高帶寬外設，如100M以太網卡，可以不需暫停CPU而直接訪問存儲器。通過允許存儲訪問獨立于CPU。Avalon開關結構優(yōu)化了數據流，從而提高了系統(tǒng)的吞吐量。

Avalon總線主要特性如下：

32位尋址空間；

支持字節(jié)、半字和字傳輸；

同步接口；

獨立的地址線、數據線和控制線；

設備內嵌譯碼部件；

支持多個總線主設備，Avalon自動生成仲裁機制；

多個主設備可同時操作使用一條總線；

可變的總線寬度，即可自動調整總線寬度，以適應尺寸不匹配的數據；

提供了基于圖形界面的總線配置向導，簡單易用。

4、 三種片上總線比較

三種總線各有特點，決定了其應用范圍的不同。AMBA 總線規(guī)范擁有眾多第三方支持，被ARM公司90%以上的合作伙伴采用，已成為廣泛支持的現有互連標準之一。Wishbone異軍突起，其簡單性和靈活性受到廣大SoC設計者的青睞。由于它是完全免費的，并有豐富的免費IP核資源，因此它有可能成為未來的片上系統(tǒng)總線互連標準。Avalon主要用于Altera公司系列PLD中，最大的優(yōu)點在于其配置的簡單性，可由EDA工具快速生成，受PLD廠商巨頭Altera極力推薦，其影響范圍也不可忽視。

結 語

本文對SoC中常用的三種總線AMBA、Wishbone和Avalon的特性進行了詳細分析和比較，在此基礎上闡述了各自的應用范圍，為SoC設計中總線選擇提供了參考。SoC系統(tǒng)中總線的選擇不僅要看其性能，還要看其應用范圍，是否有足夠的IP核資源可用等等。另外，SoC中可以選用的總線還有很多，如IBM的CoreConnect、Plamchip的CoreFrame、Mentor Graphics的FISPbus等等。雖然這些總線目前的應用范圍都遠不如本文介紹的三種總線廣泛，但是各有其特點和適用領域。因此，在SoC中選用片上總線時，需要進行認真選擇。

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