AMBA總線 SoC 系統(tǒng)IP核的即插即用研究

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(guān)鍵技術(shù)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。基于提高IP核復用以及即插即用目的，OCP-IP組織提出了OCP-IP標準。

1 OCP-lP標準介紹

1．1 OCP協(xié)議

OCP(Open Core Protoco1)標準是OCP-IP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time-to-market (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。OCP-IP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(guān)，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。

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問點到點的接口。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。

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OCP-IP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(Advaneed 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(quán)就可以免費獲得。它獨立于處理器和制造工藝技術(shù)，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．O版AMBA標準定義了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OCP -IP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：O]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。