FPGA研发之道(19)- “背靠大树好乘凉”--总线(下)

作者：阿昏豆

    如果说在PC时代，垄断PC江湖的是WINTEL（微软和英特尔），那么在移动互联网时代，最具有这个潜质的就是谷歌的andriod操作系统和ARM芯片。基于ARM公司授权的各型ARM处理器，基本上在各型嵌入式终端设备占据了垄断地位。“背靠大树好乘凉”，因此，用于作为ARM处理做片上系统互联的AMBA总线标准亦成为业界应用最广泛的标准。

AMBA总线事实上为三个总线标准的合集，分别是AHB、ASB、APB。ASB已逐渐被AHB所取代，现在使用最广泛的为AHB和APB总线，以及最新的扩展AXI总线。实际上，现今系统设计中，经常会借鉴AHB或APB总线标准，用于设计各种IP和片内模块之间的互联。首先来说AHB和APB总线，一家公司为什么会退出有两种类型总线，这是因为AHB一般认为其具备更高的性能和总线吞吐能力，而APB为低速总线，用于连接低速外设。两种总线互补，能够在性能和功耗方面进行互补。



  如上图所示 ：AHB总线与APB总线在一个嵌入式系统中的应用场景。 分别用于连接低速设备和高速设备。下表列举其一些主要的差别。

AHB	APB
多个主设备，多个从设备	一个主设备（总线桥），多个从设备
读写周期不固定，由从设备返回hready信号标示操作完成。	读写周期固定，两个周期完成
支持突发传输，传输类型由主设备	不支持突发传输
信号较多且复杂。	信号简单。

作为单次传输来说，AHB与APB的主要区别在AHB周期不固定，操作完成标示由从设备返回hready标示，而APB周期固定。作为burst传输来说，AHB支持增量和回环两种方式的突发。举例说，增量就是挨个地址自加，如总线宽度为32，地址每次自加4（字节）。而回环，比如当前地址为0xA4，而回环突发操作位0xA4, 0xA8, 0xAC, 0xA0。这种突发方式对于一些cache读写内存是非常有用的，这样可以把0xA0-0xA15十六个内存地址一次性读出。如果设计一条这样的cache line，地址0xA0-0xA15其高位地址一致，便于匹配，这样这16个字节可以通过一次突发就能全部填满。（即回环这种设计与处理器的cache结构是相关的，现在的cache line有逐渐扩大的趋势，一般64字节也较为常见）。

由于支持多个主设备和多个从设备进行交互，那么对于多个主设备之间就存在竞争。（从设备之间存在竞争否？从设备之间是通过地址区分的，被动接受主设备的访问，不会存储竞争的问题。）因此如何解决竞争，那就需要仲裁，即主设备谁需要访问总线，则发起HBUSREQ，而仲裁器收到HBUSREQ，返回给相应主设备HGRANT。此时该设备才能访问总线。除此之外AHB还有其他一些信号，用于辅助整个系统的传输，感兴趣的同志，可以看一下AMBA的总线规范。值得一提的是，作为一个总线规范，其提供了全集的解决方案，而作为实现部分，只需要在满足规范的前提下，实现必要的功能即可，例如AHB总线中规定，其突发最大可1K字节，但是作为一个从设备，不一定需要支持这么大的操作，即实现功能可在总线框架内进行裁剪，选择实现支持的类型即可。

在FPGA内部设计中，经常有多个主设备访问同一从设备的例子，例如内部多个模块都需要访问外部存储器，其实现方式有多种，通过AHB的连接架构，可以实现一个标准、可扩展的接口单元，用于访问外部存储器。并且可以作为IP使用。AHB从设备只需要根据需要，支持某些burst传输即可。



    随着SOC（片上系统的发展），对于高带宽、低延时的总线需求更加迫切，ARM公司适时退出AXI（AMBA3.0）作为扩展。





上图分别是AXI接口的读写操作，分别可以看出，对于AXI总线来说，其有5组独立的总线，分别是写地址，写数据，写响应，读地址，读数据信号。地址和数据信号分开，每组都有自己的控制信号。

每个通道中间没有时序关联，如何进行操作的？举例来说明，例如读数据操作，实际上，主设备向从设备中写了一个读的命令，包括读地址，burst大小，方式等。收到后从设备按照相应的命令读取相应大小的数据，传回主设备，其操作可以简化的看做两个缓冲区类型的操作，主设备将读命令写入从设备的命令缓冲区，从设备取出后，根据命令将相应的数据返回给主设备的接收缓冲区中。这种操作的好处显而易见，能够最大限度的减少总线的开销，因此其读与读操作之间独立，不用等待读回，就可以发送下一次的读信号。写操作的流程亦然。

对FPGA设计来说，例如xilinx的接口IP（DDR例化时的接口），都已支持AXI的接口。FPGA工程师熟悉相应的总线接口信号和特点，对于技术方案选择，IP使用和验证，都是非常重要的。尽量在设计中选择标准总线接口，对于设计复用，模块共享来说，则是必由之路。而模块（IP）复用的益处随着设计不断增大将会不断显现。

PS：如要学习上述三种总线，推荐AMBA的手册，百度/谷歌各大搜索引擎均提供免费下载链接。