AMBA總線SoC系統(tǒng)IP核的即插即用研究

摘要：提出一種按照OCPIP協(xié)議將IP自動封裝的方法。被OCPIP協(xié)議封裝的IP可以直接集成到帶有OCPIP接口的各種總線上。同時，設計了最常用的AMBA總線的OCPIP接口，進而實現(xiàn)AMBA總線上OCPIP核的即插即用功能，加快SoC系統(tǒng)的設計和驗證。

引言

SoC設計的快速發(fā)展是以IP核復用為基礎的。IP核的復用極大地提高了SoC系統(tǒng)設計的開發(fā)效率，SoC片上總線的選擇是IP核間集成與互連的關鍵技術之一。目前片上總線的標準協(xié)議眾多，如ARM公司提出的AMBA總線、OPEN CORES組織提出的WishBone總線、IBM公司提出的CoreConnect總線等。SoC片上總線的多樣性對IP核的封裝規(guī)范提出了要求。標準的IP核封裝規(guī)范有助于提高IP核的復用甚至實現(xiàn)核的即插即用?；谔岣逫P核復用以及即插即用目的，OCPIP組織提出了OCPIP標準。

1 OCPIP標準介紹

1.1 OCP協(xié)議

OCP(Open Core Protocol)標準是OCPIP組織制定的一種以提高IP核的復用及實現(xiàn)IP核的即插即用為目的的IP核標準。SoC芯片設計不再是門級的設計，而是IP核復用及其接口的設計。IP核要集成到一個SoC系統(tǒng)中，要考慮很多問題，例如：模塊間的同步，如全局執(zhí)行、數(shù)據(jù)交換的同步操作等;協(xié)議轉(zhuǎn)換匹配，不同IP核模塊間可能使用不同的協(xié)議，這樣必須考慮協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題。這些問題給IP復用帶來了一定的難度，并使SoC芯片的timeMtoMmarket(上市時間)延長。為解決這些問題，一些大公司提出了自己的總線接口標準，如ARM的AMBA總線、 IBM的CoreConnect總線、Altera的Avalon總線等。因為核的多樣性，使用完全相同的總線接口是不現(xiàn)實的。這就意味著，如果總線A上的一個IP核要移植到另一系統(tǒng)的總線B上，就需要更改此IP的接口以及數(shù)據(jù)交換的方式。如果設計者不了解總線B的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，這樣就對SoC系統(tǒng)的開發(fā)帶來一系列困難。OCPIP正是針對這些問題提出的。OCP協(xié)議是免費的，獨立于具體的總線。它將軟件中的分層概念應用到IP核接口，提供一種具有通用結(jié)構(gòu)定義、可擴展的接口協(xié)議，能完全滿足IP內(nèi)核通信機制的所有要求，方便了IP核與系統(tǒng)的集成。

OCP協(xié)議使IP核的功能與系統(tǒng)的接口無關，設計人員不需要了解IP核的功能也能利用它進行系統(tǒng)設計。OCP接口允許設計者根據(jù)不同的目的配置接口，包括接口的數(shù)據(jù)寬度、交換的握手協(xié)議等，并且在SoC設計中可以裁剪核的功能，降低設計復雜性，減小面積，同時滿足SoC的要求;OCP接口還保持核在集成到系統(tǒng)的過程中完全不被改變(即在總線寬度、總線頻率或電氣負載有變化時核保持不變)。使用OCP接口的設計可以交付即插即用的模塊，同時支持核的開發(fā)與系統(tǒng)設計并行，節(jié)省設計時間。

圖1 OCP套接口

OCP采用套接口(socket)的方法實現(xiàn)IP核的即插即用，如圖1所示。Target Bus A表示總線A，Target Bus B表示總線B。不論總線A或者總線B是哪一類總線協(xié)議，只要總線上提供了OCP的接口，那么符合OCP協(xié)議的IP核就可以隨意集成到任意總線上去，不需要重新設計IP核的接口。

1.2 OCP通信方式

OCP協(xié)議定義了兩個通信實體間點到點的接口。其中一個實體作為通信的主體(Master)，另一個作為從體(Slave)。只有MaSTer可以發(fā)命令，Slave響應Master的命令，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。封裝接口模塊必須擔當每個連接實體的對應端，當連接實體是Master時，封裝接口模塊就作為對應的Slave;當連接實體是Slave時，封裝接口模塊作Master。

圖2 OCP系統(tǒng)架構(gòu)

OCP的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。圖中有3個IP核，其中左邊標有主控的IP核是通信的發(fā)起方或者主控方，稱為Master;最右邊標有目標的是通信的目標對象，稱為Slave;中間的IP核既可作為Master又可作Slave;下面的框代表OCPIP封裝接口模塊;從Master出來并進入Slave的箭頭表示OCP請求命令，從Slave出來并進入Master的箭頭表示OCP的響應。2個IP核通過接口通信的過程是：功能為Master的 IP核發(fā)出請求命令給對應的Slave端(總線封裝接口模塊);封裝接口模塊將請求命令轉(zhuǎn)換成對應的總線命令傳送給接收方的總線封裝模塊;接收方的總線封裝模塊再作為Master，把對應的內(nèi)部總線傳輸轉(zhuǎn)換成標準的OCP命令傳送給目標IP核，目標IP核接收到命令并響應命令和返回讀寫的數(shù)據(jù)。

2 基于AMBA總線的OCP接口設計

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。 AMBA總線規(guī)范是開放標準，通過ARM公司的授權就可以免費

獲得。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)IP核單元的可重用性。2.0版AMBA標準定義了3組總線：AHB(AMBA高性能總線)、ASB(AMBA系統(tǒng)總線)、和APB(AMBA外設總線)。AHB總線應用于要求高速度高帶寬的系統(tǒng)。本文以AHB總線為例，說明OCPIP如何集成到SoC系統(tǒng)總線上。AMBA總線基本傳輸時序如圖3所示。HCLK表示AMBA系統(tǒng)時鐘，HADDR[31∶0]表示32位地址總線，HWDATA[31∶0]表示32位寫操作時的數(shù)據(jù)總線，HREADY是AMBA總線的讀寫狀態(tài)信號(狀態(tài)為低電平時，表示一次讀寫操作完成)，HRDATA[31∶0]表示讀操作時的數(shù)據(jù)總線。

圖3 AMBA總線基本傳輸時序

OCPIP核的功能是可裁剪的，即OCPIP的大部分信號都是可選擇的。根據(jù)核的功能，選擇使用不同的信號。OCP協(xié)議*有三大類型號：數(shù)據(jù)流信號(dataflow signals)、邊帶信號(sideband)、測試信號(test signals)。數(shù)據(jù)流信號主要包括：基本信號( basic signals)、簡單擴展信號(simple extensions signals)、突發(fā)擴展信號(burst extensions signals)和線程擴展信號(thread extensions signals)。邊帶信號主要包括：復位(Reset)、中斷(Interrupt)、錯誤(Error)等信號。測試信號主要包括用于支持掃描(Scan)、時鐘控制和IEEE 1149.1(JTAG)的信號。此處用到的OCP信號包括：Reset(復位)、Clk(時鐘)、EnableClk(時鐘使能)、MAddr(地址)、MCMD(命令)、MData(數(shù)據(jù))、SCmdAccept(命令接受)、SData(Slave數(shù)據(jù))、SResp(操作成功標志)。簡單的OCP讀寫時序如圖4所示。Request Phase表示請求階段，Response Phase表示響應階段。A處由系統(tǒng)Master發(fā)出1個WR寫命令，并給出地址A1和數(shù)據(jù)D1。隨即Slave發(fā)出命令接受響應ScmdAccept，此處一個周期完成了一個寫周期操作，不需要Slave給出寫操作成功響應。C處系統(tǒng)Master發(fā)出一個RD讀命令，并給出要讀取的地址A2。Slave隨即給出命令接受響應信號SCmdAccept，在下一個時鐘周期D處Slave給出要讀取的數(shù)據(jù)D2并在Slave響應信號SResp上給出讀操作成功標志DVA。此處讀操作用了2個時鐘周期。

圖4 OCP讀寫時序

OCPIP跟AMBA總線的通信通過設計2個狀態(tài)機來實現(xiàn)，1個用于接收AMBA總線上的流水數(shù)據(jù)，1個用于發(fā)送接收的數(shù)據(jù)并以OCP標準的方式發(fā)送。接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機編碼如下：

parameterH_IDLE = 2’b00;

parameterH_CTRL_PHASE1 = 2’b01;

parameterH_CTRL_PHASE2 = 2’b10;

H_CTRL_PHASE1用于存儲第1級流水指令，H_CTRL_PHASE2用于存儲第2級流水指令,其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。當AMBA總線上發(fā)出第1個讀寫指令，狀態(tài)機進入H_CTRL_PHASE1狀態(tài)，并將第1個讀寫指令轉(zhuǎn)換成OCP命令。因為AMBA總線是基于流水的操作，所以第2條指令的發(fā)出不需要等第1條指令執(zhí)行結(jié)束。這時候，狀態(tài)機進入H_CTRL_PHASE2狀態(tài)，并將此指令存儲起來，等OCP命令執(zhí)行結(jié)束立即將此存儲的指令轉(zhuǎn)換成OCP命令。這時如果AMBA總線上再次發(fā)出第3條指令，則狀態(tài)機進入H_CTRL_PHASE1狀態(tài)，并存儲此指令。

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)的狀態(tài)機編碼如下：

parameterOCP_IDLE=5’b00001;

parameterWRITE1 = 5’b00010;

parameterWRITE2 = 5’b00100;

parameterREAD1= 5’b01000;

parameterREAD2= 5’b10000;

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。當接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機接收到AMBA總線上的命令時，狀態(tài)機讓OCP接口進入第1個讀寫操作狀態(tài)，即READ1狀態(tài)或者WRITE1狀態(tài)。如果AMBA總線上有持續(xù)的流水操作命令，狀態(tài)機進入READ2狀態(tài)或者WRITE2狀態(tài)，即在AMBA流水操作的條件下，以1結(jié)尾的狀態(tài)的下一個狀態(tài)一定是以2結(jié)尾的狀態(tài)，反之以2結(jié)尾的狀態(tài)的下一個狀態(tài)一定是以1結(jié)尾的狀態(tài)。

圖6 發(fā)送接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機

3 OCPIP標準封裝軟件設計

OCP是一種IP的標準，但不僅僅是IP的接口和數(shù)據(jù)的交換方式，還規(guī)定了IP的配置、端口等信息，即所謂的OCP配置文件。讀取OCP配置文件中的內(nèi)容，就可以知道此IP對應的OCP接口的性能，從而對總線上的接口進行配置，進而實現(xiàn)IP的即插即用。雖然IP的功能是多樣的，總線的數(shù)據(jù)交互方式也是多樣的，但OCP接口的時序是固定的。這樣就可以通過設計軟件提取IP的端口信息，并自動生成相應的OCP接口模塊。

圖7 OCPIP封裝操作流程

該封裝軟件運行流程如圖7所示。用戶的IP可以直接掛在該SoC平臺上進行驗證，同時也可以直接集成到其他帶有OCP接口的SoC系統(tǒng)中去，加快IP的驗證和系統(tǒng)的設計。

封裝軟件采用MFC(微軟基礎類庫)來編寫。通過設計用戶界面，用戶只要輸入IP的時鐘、地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制信號等，就可以自動生成1個OCP的接口，以及標準的配置文件，從而實現(xiàn)IP的即插即用以及IP的統(tǒng)一管理。

結(jié)語

OCP是免費的基于點對點傳輸?shù)腎P核的標準協(xié)議，可重配置以及可擴展性很強，可以實現(xiàn)真正意義上的IP核即插即用，減少SoC系統(tǒng)設計的時間。本文討論了OCPIP的協(xié)議與特點，設計了基于AMBA總線的OCPIP接口，提出了一種IP自動封裝的方法，為IP核的集成和管理帶來極大的方便。