AMBA總線 SoC 系統(tǒng)IP核的即插即用研究

引 言

SOC設(shè)計(jì)的快速發(fā)展是以IP核復(fù)用為基礎(chǔ)的。IP核的復(fù)用極大地提高了SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)效率，SoC 片上總線的選擇是IP核間集成與互連的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前片上總線的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)IP核的封裝規(guī)范提出了要求。標(biāo)準(zhǔn)的IP核封裝規(guī)范有助于提高IP核的復(fù)用甚至實(shí)現(xiàn)核的即插即用?；谔岣?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/IP核復(fù)用">IP核復(fù)用以及即插即用目的，OCP-IP組織提出了OCP-IP標(biāo)準(zhǔn)。

1 OCP-lP標(biāo)準(zhǔn)介紹

1．1 OCP協(xié)議

OCP(Open Core Protoco1)標(biāo)準(zhǔn)是OCP-IP組織制定的一種以提高IP核的復(fù)用及實(shí)現(xiàn)IP核的即插即用為目的的IP核標(biāo)準(zhǔn)。SoC芯片設(shè)計(jì)不再是門級(jí)的設(shè)計(jì)，而是IP核復(fù)用及其接口的設(shè)計(jì)。IP核要集成到一個(gè)SoC系統(tǒng)中，要考慮很多問(wèn)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(wèn)題。這些問(wèn)題給IP復(fù)用帶來(lái)了一定的難度，并使SoC芯片的time-to-market (上市時(shí)間)延長(zhǎng)。為解決這些問(wèn)題，一些大公司提出了自己的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，如ARM的AMBA總線、IBM的CoreConnect總線、Altera的 Avalon總線等。因?yàn)楹说亩鄻有裕褂猛耆嗤目偩€接口是不現(xiàn)實(shí)的。這就意味著，如果總線A上的一個(gè)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(shè)計(jì)者不了解總線B的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，這樣就對(duì)SoC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)一系列困難。OCP-IP正是針對(duì)這些問(wèn)題提出的。OCP協(xié)議是免費(fèi)的，獨(dú)立于具體的總線。它將軟件中的分層概念應(yīng)用到IP核接口，提供一種具有通用結(jié)構(gòu)定義、可擴(kuò)展的接口協(xié)議，能完全滿足IP內(nèi)核通信機(jī)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(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)人員不需要了解IP核的功能也能利用它進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。OCP接口允許設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中可以裁剪核的功能，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，減小面積，同時(shí)滿足SoC的要求；OCP接口還保持核在集成到系統(tǒng)的過(guò)程中完全不被改變(即在總線寬度、總線頻率或電氣負(fù)載有變化時(shí)核保持不變)。使用OCP接口的設(shè)計(jì)可以交付即插即用的模塊，同時(shí)支持核的開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)并行，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

OCP采用套接口(socket)的方法實(shí)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(shè)計(jì)IP核的接口。


1．2 OCP通信方式

OCP協(xié)議定義了兩個(gè)通信實(shí)體問(wèn)點(diǎn)到點(diǎn)的接口。其中一個(gè)實(shí)體作為通信的主體(Master)，另一個(gè)作為從體(Slave)。只有Master可以發(fā)命令，Slave響應(yīng)Master的命令，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。封裝接口模塊必須擔(dān)當(dāng)每個(gè)連接實(shí)體的對(duì)應(yīng)端，當(dāng)連接實(shí)體是Master時(shí)，封裝接口模塊就作為對(duì)應(yīng)的Slave；當(dāng)連接實(shí)體是Slave時(shí)，封裝接口模塊作Master。

OCP的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。圖中有3個(gè)IP核，其中左邊標(biāo)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(biāo)有目標(biāo)的是通信的目標(biāo)對(duì)象，稱為Slave；中間的IP核既可作為Master又可作Slave；下面的框代表OCP-IP封裝接口模塊；從Master出來(lái)并進(jìn)入Slave的箭頭表示OCP請(qǐng)求命令，從Slave出來(lái)并進(jìn)入Master的箭頭表示OCP的響應(yīng)。2個(gè)IP核通過(guò)接口通信的過(guò)程是：功能為Master的IP核發(fā)出請(qǐng)求命令給對(duì)應(yīng)的Slave端(總線封裝接口模塊)；封裝接口模塊將請(qǐng)求命令轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的內(nèi)部總線傳輸轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的OCP命令傳送給目標(biāo)IP核，目標(biāo)IP核接收到命令并響應(yīng)命令和返回讀寫的數(shù)據(jù)。

2 基于AMBA總線的OCP接口設(shè)計(jì)

AMBA(Advaneed Microcontroller Bus Architecture)總線規(guī)范是ARM公司設(shè)計(jì)的一種用于高性能嵌入式系統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)。AMBA總線規(guī)范是開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)ARM公司的授權(quán)就可以免費(fèi)獲得。它獨(dú)立于處理器和制造工藝技術(shù)，增強(qiáng)了各種應(yīng)用中的外設(shè)和系統(tǒng)IP核單元的可重用性。2．O版AMBA標(biāo)準(zhǔn)定義了3組總線：AHB(AM-BA高性能總線)、ASB(AMBA系統(tǒng)總線)、和APB(AM-BA外設(shè)總線)。AHB總線應(yīng)用于要求高速度高帶寬的系統(tǒng)。本文以AHB總線為例，說(shuō)明OCP -IP如何集成到SOC系統(tǒng)總線上。AMBA總線基本傳輸時(shí)序如圖3所示。HCLK表示AMBA系統(tǒng)時(shí)鐘，HADDR[31：0]表示32位地址總線， HWDATA[31：O]表示32位寫操作時(shí)的數(shù)據(jù)總線，HREADY是AMBA總線的讀寫狀態(tài)信號(hào)(狀態(tài)為低電平時(shí)，表示一次讀寫操作完成)， HRDATA[31：0]表示讀操作時(shí)的數(shù)據(jù)總線。