一文詳解SoC中常用的總線

前言

之前和大家一起學(xué)習(xí)過AXI、AHB，這次來一起對(duì)Soc中的總線有個(gè)宏觀的學(xué)習(xí)。

總線提供了系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備之間一種互連的訪問共享硬件機(jī)制。

在數(shù)字系統(tǒng)中，總線承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)如處理器和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

總線的傳輸能力由總線的寬度和工作頻率決定。

總線的設(shè)計(jì)通常要考慮4個(gè)因素：

?總線寬度、?時(shí)鐘頻率、?仲裁機(jī)制、?傳輸類型。

總線連接的設(shè)備根據(jù)功能不同分為總線主設(shè)備和從設(shè)備。

?總線主設(shè)備可以發(fā)起一個(gè)傳輸任務(wù)?而從設(shè)備則對(duì)主設(shè)備發(fā)起的事務(wù)做出回應(yīng)。

?有些設(shè)備既可以是總線的主設(shè)備，也可以是總線的從設(shè)備，如DMA 控制器等。當(dāng)總線上存在多個(gè)主設(shè)備時(shí)，這些主設(shè)備有可能在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)需要競(jìng)爭(zhēng)使用總線。

?這時(shí)需要一種仲裁機(jī)制來決定總線的使用。仲裁機(jī)制的差異會(huì)影響總線的利用效率和任一總線主設(shè)備所見到的遲滯。使用較多的仲裁機(jī)制有輪詢機(jī)制和按照優(yōu)先級(jí)順序機(jī)制。

?在輪詢機(jī)制中，仲裁邏輯循環(huán)檢查各個(gè)主設(shè)備的使用請(qǐng)求，從而決定哪一個(gè)主設(shè)備使用總線，每個(gè)總線的主設(shè)備擁有相同的優(yōu)先級(jí)，但重要的請(qǐng)求可能需要等待較大的延時(shí)后才能獲得總線的控制權(quán)。

?在按照優(yōu)先級(jí)順序的仲裁機(jī)制中，各個(gè)主設(shè)備分配不同的優(yōu)先級(jí)。在這種設(shè)計(jì)中，優(yōu)先級(jí)高的主設(shè)備可以在較少延時(shí)下獲得總線的使用權(quán)。在仲裁機(jī)制中，有必要啟用某些保護(hù)機(jī)制，確?？偩€傳輸?shù)恼＿M(jìn)行。

例如，在傳輸數(shù)據(jù)過程中采用鎖定的機(jī)制，只有當(dāng)前傳輸結(jié)束后才能重新啟動(dòng)仲裁機(jī)制，確保該次傳輸?shù)恼＝Y(jié)束。這在多個(gè)主設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)訪問同一個(gè)資源時(shí)可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

總線在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用不同的傳輸類型以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸要求。在大多數(shù)總線中可以實(shí)現(xiàn)固定大小的數(shù)據(jù)塊傳輸和可變大小的數(shù)據(jù)塊傳輸。更加復(fù)雜和先進(jìn)的總線行為還包括分離處理（Split Transactions）、原子處理（Atomic Transactions）等。

當(dāng)從設(shè)備需要比較長(zhǎng)的時(shí)間處理主設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以將總線的控制權(quán)交給其他主設(shè)備。當(dāng)該從設(shè)備完成數(shù)據(jù)的處理后，從設(shè)備通知主設(shè)備可以繼續(xù)上次沒有完成的數(shù)據(jù)傳輸。

目前，各大IP提供商都先后推出了自己的總線標(biāo)準(zhǔn)。較有影響力的片上總線標(biāo)準(zhǔn)有ARM公司的AMBA總線、IBM公司的CoreConnect總線、Silicore Corp的Wishbone總線和Altera的Avalon總線等。

SoC設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特點(diǎn)是基于IP核的復(fù)用。

為解決眾多IP核復(fù)用的問題需要一個(gè)快速的連接方案，由此產(chǎn)生了開放核協(xié)議（OCP）。

OCP是由OCP-IP組織定義的一種標(biāo)準(zhǔn)化的IP 核接口（Interface）或插座（Socket），以便任何帶有這一接口的IP都可以在SoC內(nèi)直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，或通過帶有這一標(biāo)準(zhǔn)接口的總線進(jìn)行互連。

1 AMBA總線

AMBA總線是ARM公司開發(fā)的片上總線標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)到了3.0版本。AMBA總線標(biāo)準(zhǔn)包括

?AHB（Advanced High-performance Bus）總線、

?ASB （Advanced System Bus）總線、

?APB（Advanced Peripheral Bus）總線

?AXI總線

AHB和ASB總線連接高性能系統(tǒng)模塊，ASB是舊版本的系統(tǒng)總線，使用三態(tài)總線，目前已被新版本的AHB總線所代替。AHB是AMBA2.0標(biāo)準(zhǔn)。

而AXI是最新推出的新一代AMBA3.0標(biāo)準(zhǔn)。

APB總線連接低速的外圍設(shè)備。

典型的AMBA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如所示。

AHB總線連接的系統(tǒng)模塊有處理器、DMA控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器接口、LCD控制器等。

這些設(shè)備往往工作在較高時(shí)鐘頻率下，對(duì)系統(tǒng)的性能有較大影響。

AHB總線支持仲裁、突發(fā)傳輸、分離傳輸、流水操作、多主設(shè)備等復(fù)雜事務(wù)。

APB總線連接的外圍設(shè)備有UART接口、鍵盤、USB接口、鍵盤接口、時(shí)鐘模塊等。

APB沒有復(fù)雜事務(wù)實(shí)現(xiàn)，非流水線操作，可達(dá)到減少功耗和易于使用的目的。

最近幾年，隨著超大規(guī)模SoC的興起，嵌入式系統(tǒng)的性能需求越來越高，導(dǎo)致對(duì)片上總線的帶寬要求也越來越苛刻。雖然AHB總線的協(xié)議在理論上可以讓用戶不斷地增加總線位寬從而達(dá)到更大的帶寬，但是在節(jié)省功耗的前提下，用戶希望通過極小的總線寬度、極低的總線頻率來實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)吞吐量，也就是對(duì)協(xié)議傳輸效率的要求達(dá)到極致。

順應(yīng)這種趨勢(shì)，ARM在2004年推出了AMBA3.0-AXI協(xié)議。AXI總線是一種多通道傳輸總線，將地址、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、握手信號(hào)在不同的通道中發(fā)送，不同訪問之間的順序可以打亂，用BUSID來表示各個(gè)訪問的歸屬。

Master在沒有得到返回?cái)?shù)據(jù)的情況下可以發(fā)出多個(gè)讀寫操作。讀回的數(shù)據(jù)順序可以被打亂，同時(shí)還支持非對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問。由于各個(gè)傳輸之間僅依靠傳輸ID來相互識(shí)別，沒有時(shí)序上的依賴關(guān)系，所以可以被插入寄存器來打斷限制頻率的關(guān)鍵路徑。那么從理論上講，AXI協(xié)議就沒有頻率上限了。

AXI總線還定義了在進(jìn)出低功耗節(jié)電模式前后的握手協(xié)議。規(guī)定如何通知進(jìn)入低功耗模式，何時(shí)關(guān)斷時(shí)鐘，何時(shí)開啟時(shí)鐘，如何退出低功耗模式。

這使得所有IP在進(jìn)行功耗控制的設(shè)計(jì)時(shí)，有據(jù)可依，容易集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)中。圖4-3所示為一種典型的基于AMBA 3 AXI總線協(xié)議的SoC結(jié)構(gòu)實(shí)例。

AXI不僅繼承了AHB便于集成、便于實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，還在設(shè)計(jì)上引入了指令亂序發(fā)射、結(jié)果亂序?qū)懟氐戎卮蟾倪M(jìn)，使總線帶寬得到最大程度的利用，可進(jìn)一步滿足高性能系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)存取的需求。

【AHB與AXI、APB的區(qū)別與聯(lián)系】[1]

2 CoreConnect總線

CoreConnect是IBM開發(fā)的一套片上系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)。CoreConnect總線包括

?PLB（Procesor Local Bus）總線、

?OPB（On-Chip Peripheral Bus）總線、

?DCR（Device Control Register）總線。

圖4-4所示為CoreConnect的總線結(jié)構(gòu)圖。

在CoreConnect總線中，

?PLB總線連接高性能設(shè)備如處理器、存儲(chǔ)器接口、DMA等。

?OPB總線連接低性能設(shè)備，如各種外圍接口等。OPB總線減少了外圍設(shè)備對(duì)于PLB性能的影響。在PLB和OPB之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)接的總線橋。PLB到OPB總線橋?qū)崿F(xiàn)了PLB總線上主設(shè)備到OPB總線上從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。它在PLB總線上是從設(shè)備，但在OPB總線上卻成為主設(shè)備。與之相對(duì)應(yīng)，OPB到PLB的橋在OPB上是從設(shè)備，但會(huì)作為PLB總線的主設(shè)備，實(shí)現(xiàn)OPB總線上的主設(shè)備到PLB總線的從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

?DCR總線主要用來訪問和配置PLB和OPB總線設(shè)備的狀態(tài)和控制寄存器。DCR總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在PLB或OPB傳輸之外的數(shù)據(jù)傳輸。在PLB或OPB總線上的主設(shè)備都需要經(jīng)過總線仲裁設(shè)備來獲取對(duì)于總線的控制權(quán)。

3 Wishbone總線

Wishbone總線是由Silicore公司推出的片上總線標(biāo)準(zhǔn)。這種總線具有簡(jiǎn)單、靈活和開放的特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)被OpenCores采用并組織維護(hù)。

在AMBA或CoreConnect總線中，高速設(shè)備和低速設(shè)備分別在不同的總線上。

而在Wishbone中，所有核都連接在同一標(biāo)準(zhǔn)接口上。

當(dāng)需要時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以選擇在一個(gè)微處理器核上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)接口，一個(gè)給高速設(shè)備，另一個(gè)給低速設(shè)備。Wishbone總線的結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。

一個(gè)Wishbone系統(tǒng)由主設(shè)備、從設(shè)備、INTERCON和SYSCON組成。

其中INTERCON定義了主設(shè)備和從設(shè)備之間的連接方式，而SYSCON用來產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)。

在Wishbone中有4種不同的連接方式可以使用，它們分別是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流、共享總線和交叉連接方式。

4 AVALON總線

AVALON總線主要應(yīng)用在FPGA中，作為SOPC（System On a Programmable Chip）中的片上總線。AVALON總線是Altera推出Nios核時(shí)開發(fā)的片上總線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。

在AVALON總線中，主設(shè)備之間通過仲裁機(jī)制決定是否獲得總線的控制權(quán)。

5 開放核協(xié)議

IP在SoC中的互連概括起來可以通過兩種方案解決，一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)（如AMBA），另一種是定義一種通用的總線接口，而不限制總線的采用。

開放核協(xié)議（OCP，Open Core Protocol）是由OCP-IP組織定義的IP互聯(lián)協(xié)議。

它不是總線定義，而是在IP核之間的一種獨(dú)立于總線之外的高性能接口規(guī)范，這種方法提高了IP的重用率，進(jìn)而可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和制造成本。

一個(gè)IP核可以是處理器、外圍設(shè)備或片上總線。

OCP在兩個(gè)通信實(shí)體之間定義了點(diǎn)到點(diǎn)的接口。這兩個(gè)通信實(shí)體中，一個(gè)作為主設(shè)備，可以發(fā)起命令；另一個(gè)作為從設(shè)備，對(duì)主設(shè)備的命令做出回應(yīng)。

該OPC結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。OCP是在國(guó)際IP標(biāo)準(zhǔn)組織（VISA）的虛擬接口標(biāo)準(zhǔn)VCI上的擴(kuò)展。

OCP-IP組織還相繼開發(fā)了相應(yīng)的IP接口自動(dòng)生成工具，并提供一定的技術(shù)支持，使得OCP接口具有更好的實(shí)用價(jià)值。

IP核自身的特點(diǎn)決定了其是否作為OCP封裝接口中的主設(shè)備、從設(shè)備或兩者都是。

總線封裝接口模塊作為OCP的補(bǔ)充。在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程中，系統(tǒng)的發(fā)起者（OCP主設(shè)備）輸出命令和數(shù)據(jù)到總線封裝接口模塊。

OCP并不規(guī)定總線的功能?？偩€封裝接口模塊設(shè)計(jì)中，需要將OCP請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成總線傳輸。

OCP主設(shè)備負(fù)責(zé)將總線傳輸轉(zhuǎn)換成合法的OCP命令；OCP從設(shè)備接收主設(shè)備發(fā)出的命令，并做出回應(yīng)。

6 復(fù)雜的片上總線結(jié)構(gòu)

以上分析了目前使用較為廣泛的幾種標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的使用中，尤其在一些復(fù)雜的SoC設(shè)計(jì)中，往往會(huì)在這些總線協(xié)議的基礎(chǔ)上采用更加復(fù)雜的總線結(jié)構(gòu)以滿足處理器、存儲(chǔ)器和其他與之相連的設(shè)備之間的相互矛盾。

下面以AMBA總線為例，分析兩種較為常見的總線結(jié)構(gòu)。

在AMBA總線中，高性能設(shè)備工作在高速總線AHB上，其他慢速設(shè)備工作在低速總線APB上，高速總線和低速總線之間通過橋連接在一起。

當(dāng)高速總線上的設(shè)備比較多時(shí)，一條高速總線的設(shè)計(jì)無法滿足系統(tǒng)的要求，這時(shí)需要增加總線，如圖4-8所示。