FPGA工程師的研發(fā)之道——總線的研究

　　下文將介紹兩種其他應(yīng)用較廣的總線形態(tài)，AHB（AMBA）如果說在PC時代，壟斷PC江湖的是WINTEL（微軟和英特爾），那么在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，最具有這個潛質(zhì)的就是谷歌的andriod操作系統(tǒng)和ARM芯片?；贏RM公司授權(quán)的各型ARM處理器，基本上在各型嵌入式終端設(shè)備占據(jù)了壟斷地位?！氨晨看髽浜贸藳觥保虼?，用于作為ARM處理做片上系統(tǒng)互聯(lián)的AMBA總線標準亦成為業(yè)界應(yīng)用最廣泛的標準。

　　AMBA總線事實上為三個總線標準的合集，分別是AHB、ASB、APB。ASB已逐漸被AHB所取代，現(xiàn)在使用最廣泛的為AHB和APB總線，以及最新的擴展AXI總線。實際上，現(xiàn)今系統(tǒng)設(shè)計中，經(jīng)常會借鑒AHB或APB總線標準，用于設(shè)計各種IP和片內(nèi)模塊之間的互聯(lián)。首先來說AHB和APB總線，一家公司為什么會退出有兩種類型總線，這是因為AHB一般認為其具備更高的性能和總線吞吐能力，而APB為低速總線，用于連接低速外設(shè)。兩種總線互補，能夠在性能和功耗方面進行互補。

　　如上圖所示

　?。篈HB總線與APB總線在一個嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用場景。

　　分別用于連接低速設(shè)備和高速設(shè)備。下表列舉其一些主要的差別。

　　作為單次傳輸來說，AHB與APB的主要區(qū)別在AHB周期不固定，操作完成標示由從設(shè)備返回hready標示，而APB周期固定。作為burst傳輸來說，AHB支持增量和回環(huán)兩種方式的突發(fā)。舉例說，增量就是挨個地址自加，如總線寬度為32，地址每次自加4（字節(jié)）。而回環(huán)，比如當前地址為0xA4，而回環(huán)突發(fā)操作位0xA4， 0xA8， 0xAC， 0xA0。這種突發(fā)方式對于一些cache讀寫內(nèi)存是非常有用的，這樣可以把0xA0-0xA15十六個內(nèi)存地址一次性讀出。如果設(shè)計一條這樣的cache line，地址0xA0-0xA15其高位地址一致，便于匹配，這樣這16個字節(jié)可以通過一次突發(fā)就能全部填滿。（即回環(huán)這種設(shè)計與處理器的cache結(jié)構(gòu)是相關(guān)的，現(xiàn)在的cache line有逐漸擴大的趨勢，一般64字節(jié)也較為常見）。

　　由于支持多個主設(shè)備和多個從設(shè)備進行交互，那么對于多個主設(shè)備之間就存在競爭。（從設(shè)備之間存在競爭否？從設(shè)備之間是通過地址區(qū)分的，被動接受主設(shè)備的訪問，不會存儲競爭的問題。）因此如何解決競爭，那就需要仲裁，即主設(shè)備誰需要訪問總線，則發(fā)起HBUSREQ，而仲裁器收到HBUSREQ，返回給相應(yīng)主設(shè)備HGRANT。此時該設(shè)備才能訪問總線。除此之外AHB還有其他一些信號，用于輔助整個系統(tǒng)的傳輸，感興趣的同志，可以看一下AMBA的總線規(guī)范。值得一提的是，作為一個總線規(guī)范，其提供了全集的解決方案，而作為實現(xiàn)部分，只需要在滿足規(guī)范的前提下，實現(xiàn)必要的功能即可，例如AHB總線中規(guī)定，其突發(fā)最大可1K字節(jié)，但是作為一個從設(shè)備，不一定需要支持這么大的操作，即實現(xiàn)功能可在總線框架內(nèi)進行裁剪，選擇實現(xiàn)支持的類型即可。

　　在FPGA內(nèi)部設(shè)計中，經(jīng)常有多個主設(shè)備訪問同一從設(shè)備的例子，例如內(nèi)部多個模塊都需要訪問外部存儲器，其實現(xiàn)方式有多種，通過AHB的連接架構(gòu)，可以實現(xiàn)一個標準、可擴展的接口單元，用于訪問外部存儲器。并且可以作為IP使用。AHB從設(shè)備只需要根據(jù)需要，支持某些burst傳輸即可。

　　隨著SOC（片上系統(tǒng)的發(fā)展），對于高帶寬、低延時的總線需求更加迫切，ARM公司適時退出AXI（AMBA3.0）作為擴展。

　　上圖分別是AXI接口的讀寫操作，分別可以看出，對于AXI總線來說，其有5組獨立的總線，分別是寫地址，寫數(shù)據(jù)，寫響應(yīng)，讀地址，讀數(shù)據(jù)信號。地址和數(shù)據(jù)信號分開，每組都有自己的控制信號。

　　每個通道中間沒有時序關(guān)聯(lián)，如何進行操作的？舉例來說明，例如讀數(shù)據(jù)操作，實際上，主設(shè)備向從設(shè)備中寫了一個讀的命令，包括讀地址，burst大小，方式等。收到后從設(shè)備按照相應(yīng)的命令讀取相應(yīng)大小的數(shù)據(jù)，傳回主設(shè)備，其操作可以簡化的看做兩個緩沖區(qū)類型的操作，主設(shè)備將讀命令寫入從設(shè)備的命令緩沖區(qū)，從設(shè)備取出后，根據(jù)命令將相應(yīng)的數(shù)據(jù)返回給主設(shè)備的接收緩沖區(qū)中。這種操作的好處顯而易見，能夠最大限度的減少總線的開銷，因此其讀與讀操作之間獨立，不用等待讀回，就可以發(fā)送下一次的讀信號。寫操作的流程亦然。

　　對FPGA設(shè)計來說，例如xilinx的接口IP（DDR例化時的接口），都已支持AXI的接口。FPGA工程師熟悉相應(yīng)的總線接口信號和特點，對于技術(shù)方案選擇，IP使用和驗證，都是非常重要的。盡量在設(shè)計中選擇標準總線接口，對于設(shè)計復(fù)用，模塊共享來說，則是必由之路。而模塊（IP）復(fù)用的益處隨著設(shè)計不斷增大將會不斷顯現(xiàn)。