嵌入式总线技术 |
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嵌入式总线技术
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一、AMBA概述
今天要介绍的三种嵌入式总线技术：APB、AHB、AXI，它们都属于AMBA 片上总线协议。所以，在介绍这几种总线技术之前，有必要先了解一下AMBA 片上总线协议是什么。 AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) ，全称叫作高级微控制器总线架构，它是由ARM公司研发推出的高性能片上总线协议。它定义了高性能嵌入式微控制器的通信标准，可以将RISC处理器（精简指令集处理器）集成在其他IP芯核和外设中，它是有效连接IP核的“数字胶”，并且是ARM复用策略的重要组件；它不是芯片与外设之间的接口，而是ARM内核与芯片上其他元件进行通信的接口。比如在Xilinx公司的Zynq芯片中，它就是ARM与FPGA之间的连接通路。 AMBA协议已经经历了好几代的演进： AMBA 1只有ASB和APB协议；AMBA 2引入AHB协议用于高速数据传输；AMBA 3为适应高吞吐量传输和调试引入AXI和ATB，增加高级可扩展接口，而AHB协议缩减为AHB-lite，APB协议增加了PREADY和PSLVERR，ASB由于设计复杂而不再使用；AMBA 4，AXI得到了增强，引入QOS和long burst的支持，根据应用不同可选AXI4，AXI4-lite，AXI4-stream。同时为满足复杂SOC的操作一致性引入ACE和ACE-lite协议，APB和ATB也得到增强，比如APB加入了PPROT和PSTRB。接下来就依次介绍一下其中比较重要的三种总线：APB、AHB和AXI。 二、APB总线APB (Advanced Peripheral Bus) ，全称叫作高级外围总线，至今已经有3个版本。 AMBA 1 APB，定义了最基本的信号interface, 读写transfer, APB bridge, APB slave；AMBA 3 APB，增加定义信号 PREADY, PSLVERR 来完成对wait state和Error reporting功能的支持；AMBA 4 APB：增加定义信号 PPROT, PSTRB来支持secure,supervisor和sparse data transfer 的功能。APB主要用在低带宽和不需要高性能总线的外围设备上例如UART、1284等。 APB是非流水线结构，所有的信号仅与时钟上升沿相关，这样就可以简化APB外围设备的设计。它的总线架构不像AHB支持多个主模块，在APB里面唯一的主模块就是APB 桥。其特性包括： 两个时钟周期传输；无需等待周期和回应信号；控制逻辑简单，只有四个控制信号。APB可以与AMBA高级高性能总线(AHB)和AMBA高级可扩展接口(AXI)连接。APB上的传输可以用状态图来说明：
IDLE：这个是 APB 的默认状态，也就是没有传输时候的状态； SETUP：当需要进行一个传输的时候，APB 首先进入这个状态；PSELx 信号首先拉高；总线仅仅在 SETUP 状态停留一个时钟周期，然后接着在下一个时钟的上升沿进入 ACCESS 状态； ACESS：在 SETUP 状态转换到 ACCESS，PENABLE 信号被拉高；在 SETUP 状态转换到 ACCESS 状态这段时间里，address，write，select 和 write data 信号必须保持稳定； 处于 ACESS 状态下，如果PREADY为 0，会让其继续处于 ACCESS 状态；否则，PREADY 为 1，如果还有传输则再次进入 SETUP -> ACCESS ，如果没有传输，直接回到IDLE。 各端口信号说明(Ports)如下：
AHB (Advanced High-performance Bus)，全称叫作高级高性能总线。AHB用于高性能、高时钟频率的系统结构，典型的应用如ARM核与系统内部的高速RAM、NAND FLASH、DMA、Bridge的连接。 它的强大之处在于它可以将微控制器（CPU）、高带宽的片上RAM、高带宽的外部存储器接口、DMA总线master、各种拥有AHB接口的控制器等等连接起来构成一个独立的完整的SOC系统。不仅如此，还可以通过AHB-APB桥来连接APB总线系统。AHB可以成为一个完整独立的SOC芯片的骨架。 相比于APB，区分了地址周期和数据周期。 典型的系统总线的结构如下图所示： 每个AHB都需要1个仲裁器和1个中央解码器，且有且仅有一个！下图就是一个包含三个主机和四个从机的AHB设计结构。 AXI（Advanced eXtensible Interface），全称叫作高级可扩展接口，是一种总线协议，该协议是ARM公司提出的AMBA3.0中最重要的部分，是一种面向高性能、高带宽、低延迟的片内总线。AMBA4.0将其修改升级为AXI4.0。 AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-stream。 AXI4.0-Lite是AXI的简化版本，ACE4.0 是AXI缓存一致性扩展接口，AXI4.0-Stream是ARM公司和Xilinx公司一起提出，主要用在FPGA进行以数据为主导的大量数据的传输应用。AXI 能够使SoC 以更小的面积、更低的功耗，获得更加优异的性能。AXI 获得如此优异性能的一个主要原因，就是它的单向通道体系结构。单向通道体系结构使得片上的信息流只以单方向传输，减少了延时。 除了降低延时，AXI总线还定义了在进出低功耗节电模式前后的握手协议。规定如何通知进入低功耗模式，何时关断时钟，何时开启时钟，如何退出低功耗模式。这使得所有IP在进行功耗控制的设计时，有据可依，容易集成在统一的系统中。 AXI的特点如下： 单向通道体系结构。信息流只以单方向传输，简化时钟域间的桥接，减少门数量。当信号经过复杂的片上系统时，减少延时。支持多项数据交换。通过并行执行猝发操作，极大地提高了数据吞吐能力，可在更短的时间内完成任务，在满足高性能要求的同时，又减少了功耗。 独立的地址和数据通道。地址和数据通道分开，能对每一个通道进行单独优化，可以根据需要控制时序通道，将时钟频率提到最高，并将延时降到最低。 增强的灵活性。AXI技术拥有对称的主从接口，无论在点对点或在多层系统中，都能十分方便地使用AXI技术。下面再来具体介绍一下AXI协议的非常重要的一个特点，那就是它包含了五种信道，分别传输不同的信号，这大大提高了传输效率。 AXI协议是基于burst的传输，它定义的5个独立的传输通道分别是：读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道、写响应通道。
AHB与AXI、APB的区别与联系： AHB是先进的高性能总线，AXI是先进的可扩展接口，APB是高级外围总线； AHB和APB都是单通道总线，不支持读写并行；而AXI是多通道总线，总共分为五个通道，能够实现读写并行； AHB和AXI都是多主/从设备，且通过仲裁机制实现总线控制权的分配；而APB是单主设备多从设备，其主设备就是APB桥，不具有仲裁机制； 在数据操作方面，AHB和AXI支持突发传输，APB不支持；此外，AXI支持数据的非对齐操作，AHB和APB不支持。 几种总线的性能对比分析：
参考链接： https://zhuanlan.zhihu.com/p/161077476 https://blog.csdn.net/zhoutaopower/article/details/103808527 |
AHB系统设计主要包括以下四个部分：
AHB总线操作的基本过程是：
AXI是基于VALID/READY的握手机制数据传输协议，传输源端使用VALID表明地址/控制信号、数据是有效的，目的端使用READY表明自己能够接受信息。
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