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二、AMBA片内总线通讯协议描述5
2.1 AHB系统总线协议5
2.2 APB外围总线协议6
三、AMBA片内总线控制部件的设计6
3.1 AHB仲裁器6
3.1.1 仲裁器优先级算法7
3.1.2 AHB仲裁器状态机7
3.1.3 AHB仲裁器状态机工作过程8
3.2 中央译码器8
3.3 多路选择器8
3.4 虚拟/缺省总线主设备(dummy/defaultbusmaster)9
3.5 外围总线桥9
四、心得体会9
五、参考文献10
一、AMBA总线简介
1.1AMBA总线概况
高级微控制器总线体系(AMBA)规范定义了在设计高性能嵌入式微控制器时的一种片上通信标准。
根据AMBA标准定义了三种不同的总线:
(1).高级高性能总线(AHB);
(2).高级系统总线(ASB);
(3).高级外设总线(APB)。
AMBA规范还包含一种测试方法以提供对宏单元进行测试和诊断访问的下部构造。
1.1.1高级高性能总线(AHB)
AMBAAHB是用于高性能、高时钟频率的系统模块。
AHB担当高性能系统的中枢总线。
AHB支持处理器,片上存储器,片外存储器以及低功耗外设宏功能单元之间的有效连接。
AHB也通过使用综合和自动测试技术的有效设计流来确保减轻使用负担。
1.1.2高级系统总线(ASB)
AMBAASB是用于高性能的系统模块之间的。
AMBAASB是另外一种系统总线用在并不要求AHB的高性能特征的地方。
ASB也支持处理器,片上存储器,片外存储器以及低功耗外设宏功能单元之间的有效连接。
1.1.3高级外设总线(APB)
AMBAAPB是用于低功耗外设的。
AMBAAPB优化了最小功率消耗并且降低了接口复杂度以支持外设功能。
APB可以用来连接任意一种版本的系统总线。
1.2AMBA规范的目的
AMBA规范设计用于满足以下四个关键要求
(1)促进带一个或多个CPU或者信号处理器的嵌入式微控制器产品的第一时间开发
(2)技术上独立并且高复用度的外设和系统宏单元能在多样的IC工序之间方便的移植,以及适用于完整定制、标准宏单元和门阵列技术;
(3)鼓励标准系统设计以提高处理器的独立性,提供高级cacheCPU的发展路线图和外设库的发展
降低硅的下部构造要求以支持用在操作和生产测试时有效的片上和片外通信。
1.3AMBAAHB介绍
AHB是为提出高性能可综合设计的要求而产生的新一代AMBA总线。
它是一种支持多
总线主机和提供高带宽操作的高性能总线。
AMBAAHB实现了高性能,高时钟频率系统的以下特征要求:
(1).突发传输;
(2).分块处理;
(3).单周期总线主机移交;
(4).单时钟沿操作;
(5).非三态执行;
(6).更宽的数据总线架构(64位或者128位)。
这条高级总线和当今的ASB/APB能够有效的桥接确保能够方便集成任何现有的设计。
AMBAAHB的设计可能包含一个或者多个主机,一个典型的系统将至少包含处理器和
测试接口。
然而,将直接数据存取(DMA)或者数字信号处理器(DSP)包含作总线主机
也很普通。
外部存储器接口,APB桥和任何内部存储器是最常见的AHB从机。
然而,低带宽的外
设通常都是连接到APB上。
二、AMBA片内总线通讯协议描述
2.1 AHB系统总线协议
AHB系统总线协议采用的是中央多路选择器互连方案。
所有总线主设备发出它们想要执行传送的地址和控制信号,然后仲裁器决定把哪个主设备的地址和控制信号路由到所有从设备,中央地址译码器译码地址信息产生相应的从设备选择信号,同时控制从设备到主设备多路选择器把被寻址从设备的读数据和反应信号路由到所有到主设备。
该互连方案集中体现在AHB系统总线的仲裁机制上,具体仲裁协议如下。
(1)请求总线访问
AHB总线的仲裁是"
隐含的"
一次仲裁可以在前一次总线访问期间完成,从而仲裁不必占用AHB总线周期(总线空闲时除外)。
正常情况下,仲裁器只有当一个猝发传送完毕之后才把总线占用移交给另外一个主设备,但为防止主设备对总线访问时间过分占用,仲裁器可根据其内部设定的Time-out机制提前终止猝发转送把总线授权给请求访问总线的其他主设备。
当主设备被授权总线并开始一个固定长度猝发传送后,没有必要继续请求总线,因为仲裁器通过监视猝发传送过程和HBURST控制信号可以知道当前猝发传送何时结束;
对于长度不定的猝发传送,主设备应持续有效总线请求直至它发出最后一个传送,因为仲裁器不能预知不定长猝发传送何时终止。
若主设备在进行当前猝发传送之后紧接着还要执行下一个猝发传送,它应在当前猝发传送期间重新有效总线请求信号,同样,若主设备在猝发传送过程中失去对总线的访问,它必须重新有效总线请求信号以便下次获得对总线的访问。
(2)授权总线访问
仲裁器通过有效适当的HGRANTx信号指明哪个主设备为当前最高优先权主设备。
但此时并不表明该主设备就获得了总线,只有等到HREADY被采样为高电平(前一个传送完成)时,它才真正获得总线所有权,开始总线访问。
同时,仲裁器也将改变HMASTER信号译码出相应的主设备序号。
由于AHB系统总线的地址/数据流水特性,数据总线的移交要滞后于地址总线的移交,因此,获得地址总线的主设备只有等到前一个主设备的数据段传送完成(HREADY变为高电平)后,才可以拥有数据总线。
(3)锁定传送
主设备进行锁定访问时,必须有效HLOCKx信号向仲裁器指明当前传送为锁定序列。
仲裁器通过监视来自每个主设备的HLOCKx信号确保在锁定序列完成之前总线不能授权给其它主设备。
在一个锁定序列传送完毕之后,仲裁器还将让该主设备继续保持总线进行一个附加传送以确保锁定序列的最后一个传送成功完成。
仲裁器同时也要有效HMASTLOCK信号,它与地址和控制信号有相同的时序,该信号向从设备表明当前传送是锁定的,只有当前锁定传送处理完毕之后才可处理别的遗留交易。
2.2 APB外围总线协议
APB外围总线作为局部的二级总线,为系统总线提供了低功耗和接口设计简单的协议扩展,其实,它整体上可看作一个AHB从设备。
APB数据传输协议相对AHB协议要简单许多,它仅支持一个主设备(外围总线桥)与多个从设备之间的数据通信,不支持性能高的数据传输带宽。
具体接口规范如下。
①.非流水特性:
地址和控制信号在整个数据访问期间保持有效。
②.静态特性:
在外围总线不使用时,接口功耗为零。
③非时钟接口特性:
通过解码选通脉冲产生时序,不必将高频率时钟广播到每个外围设备。
④整个访问期间写数据有效。
三、AMBA片内总线控制部件的设计
本文根据上述协议并结合实际的32位系统所
需进行AMBA片内总线各个控制部件的设计。
3.1 AHB仲裁器
仲裁器是AHB系统总线的主要管理机构,监视主设备发出的总线请求,根据内部设定的仲裁算法进行仲裁并给出相应的控制信号。
此外,仲裁器还要处理来自从设备要求完成SPLIT传送的请求。
SPLIT传送是AHB系统总线的一个显著特性,它
在防止系统死锁方面和充分利用总线方面起到了积极的作用。
本文给出的仲裁器设计中总线主设备数和从设备数可根据需要进行配置,最多可支持8个主设备和8个从设备。
3.1.1 仲裁器优先级算法
为了合理地控制和管理系统中需要占用总线的数据源,AHB仲裁器必须实现一个特定的优先级仲裁算法,以便在多个主设备同时提出总线占用请求时,能依据该仲裁算法判决出哪个设备应获得对总线的控制权。
由于总线仲裁算法从根本上说与AHB总线规范无关,所以可以根据实际需要自由地进行选择和修改。
总线优先级仲裁算法通常有两种:
固定优先级算法和循环优先级算法。
所谓固定优先级算法,就是指AHB总线中各主设备的优先级是事先确定好的,在仲裁器仲裁过程中固定不变;
而循环优先级算法则不同,各主控器的优先级在仲裁器的仲裁过程中不是一成不变,而是根据一定规律发生变化的。
两者各有利弊,采用固定优先级算法,可以对那些有重要数据传输、或有大量实时数据传输以及经常需要占用总线的主设备赋予较高的优先权,以便有效地利用AHB总线。
固定优先级算法的缺点是,可能会出现总线主设备“撑死”和“饿死”的现象。
相反,采用循环优先级算法则可以克服这种“饱饿”不均的弊端。
在循环优先级算法中,由于其优先级随着每个总线周期动态地改变,各个设备在总线上的身份平等,获得总线占用权的机会均等。
所以,在一定意义上来说,优先级循环是最公平的算法。
循环优先级的缺点是当处理某些设备的大批量实时数据时会造成效率的降低。
本文根据实际系统需要采用了固定仲裁算法,且总线的缺省拥有者可进行自由配置以满足系统应用的灵活性。
3.1.2 AHB仲裁器状态机
依据AHB总线传送协议,定义了六个状态:
系统复位状态(RESET)、虚拟主设备(或缺省主设备)占用总线状态(DEFAULTS)、单个传送与总线移交状态(HANDOVER)、固定长度猝发传送状态(FIXED)、不定长度猝发传送状态(UNDEFINED)和附加传送状态(EXTRA)。
wait表示从设备没有准备好(HREADY信号为低电平),需要插入等待周期;
Req表示有主设备发出总线请求;
Reqx表示占有总线的主设备继续发出总线请求;
Fixed表示发起当前传送且为固定长度猝发传送类型;
Incr表示发起当前传送且为不定长度猝发传送类型;
Single表示发起当前传送且为单个数据传送类型;
Idle表示当前传送为空传送;
Okay表示从设备可以正常完成传送;
!
Okay表示从设备对当前传送作出错误或重试反应;
Lockx表示当前传送为锁定序列;
Split表示从设备作出SPLIT反应;
all-Split表示所有请求总线的主设备都接受到SPLIT反应;
Splitx表明某个从设备请求可以完成SPLIT传送;
unfinished表示当前猝发传送没有完成。
3.1.3 AHB仲裁器状态机工作过程
系统复位过后进入DEFAULTS状态,总线被授予预先设定的缺省主设备;
若总线上有主设备发出总线请求信号,仲裁器将根据内部设定的优先级算法,判决出当中的最高请求线,并把总线授予给相应的主设备,然后根据控制信号决定是否转入相应的猝发传送状态。
当猝发传送完成后,转入HANDOVER状态重新进行总线仲裁与授权,若没有主设备申请总线,最后状态停靠在缺省主设备占用总线状态。
正常情况下,状态间的转移都是在时钟沿采样HREADY有效时发生的,但对于异常情况即从设备作出错误或重试反应,状态机则会根据具体情况作出相应的特殊处理,例如正在进行猝发传送的FIXED状态中突然接收到!
Okay反应,状态机将立即转入HANDOVER状态重新进行总线仲裁与授权,而不管当前猝发传送是否完成。
对于锁定传送情况,仲裁协议要求当前主设备在完成锁定序列传送之后,继续保持总线进行一个附加的空传送,因此
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