在基于IP復用的SoC設計中，片上總線設計是最關鍵的問題。為此，業界出現了很多片上總線標準。其中，由ARM公司推出的AMBA片上總線受到了廣大IP開發商和SoC系統集成者的青睞，已成為一種流行的工業標準片上結構。AMBA規范主要包括了AHB(Advanced High performance Bus)系統總線和APB(Advanced Peripheral Bus)外圍總線。 AMBA 2.0規范包括四個部分：AHB、ASB、APB、AXI和Test Methodology。AHB的相互連接采用了傳統的帶有主模塊和從模塊的共享總線，接口與互連功能分離，這對芯片上模塊之間的互連具有重要意義。AMBA已不僅是一種總線，更是一種帶有接口模塊的互連體系。

1.1.1AMBA協議的演進

圖4?4 AMBA協議的演進 ·AMBA 1只有ASB和APB協議； ·AMBA 2引入AHB協議用于高速數據傳輸； ·AMBA 3，為適應高吞吐量傳輸和調試引入AXI和ATB，增加高級可擴展接口，而AHB協議縮減為AHB-lite，APB協議增加了PREADY和PSLVERR，ASB由于設計復雜而不再使用； ·AMBA 4，AXI得到了增強，引入QOS和long burst的支持，根據應用不同可選AXI4，AXI4-lite，AXI4-stream，同時為滿足復雜SOC的操作一致性引入ACE和ACE-lite協議，APB和ATB也同時得到增強，比如APB加入了PPROT和PSTRB，另外為改善總線數據傳輸引入QVN協議； ·適應更加復雜的高速NOC設計，引入環形總線協議，推出的AMBA CHI協議。 V1.0 ASB、APB是第一代AMBA協議的一部分。主要應用在低帶寬的外設上，如UART、 I2C，它的架構不像AHB總線是多主設備的架構，APB總線的唯一主設備是APB橋（與AXI或APB相連），因此不需要仲裁一些Request/grant信號。APB的協議也十分簡單，甚至不是流水的操作，固定兩個時鐘周期完成一次讀或寫的操作。其特性包括：兩個時鐘周期傳輸，無需等待周期和回應信號，控制邏輯簡單，只有四個控制信號。傳輸可用如下狀態圖表示，

圖4?5 傳輸狀態圖 ·系統初始化為IDLE狀態，此時沒有傳輸操作，也沒有選中任何從模塊。 ·當有傳輸要進行時，PSELx=1，PENABLE=0，系統進入SETUP狀態，并只會在SETUP 狀態停留一個周期。當PCLK的下一個上升沿時到來時，系統進入ENABLE 狀態。 ·系統進入ENABLE狀態時，維持之前在SETUP 狀態的PADDR、PSEL、PWRITE不變，并將PENABLE置為1。傳輸也只會在ENABLE狀態維持一個周期，在經過SETUP與ENABLE狀態之后就已完成。之后如果沒有傳輸要進行，就進入IDLE狀態等待；如果有連續的傳輸，則進入SETUP狀態。 V2.0 AHB是第二代AMBA協議最重要的一部分。AHB總線規范是AMBA總線規范的一部分，AMBA總線規范是ARM公司提出的總線規范，被大多數SoC設計采用，它規定了AHB (Advanced High-performance Bus)、ASB (Advanced System Bus)、APB (Advanced Peripheral Bus)。AHB用于高性能、高時鐘頻率的系統結構，典型的應用如ARM核與系統內部的高速RAM、NAND FLASH、DMA、Bridge的連接。APB用于連接外部設備，對性能要求不高，而考慮低功耗問題。ASB是AHB的一種替代方案。

圖4?6 相比于APB，區分了地址周期和數據周期 AHB總線強大之處在于它可以將微控制器（CPU）、高帶寬的片上RAM、高帶寬的外部存儲器接口、DMA總線控制器，以及各種AHB接口的控制器等連接起來構成一個獨立的完整SOC系統，還可以通過AHB-APB橋來連接APB總線系統。

圖4?7 通過AHB-APB橋來連接APB總線系統 AHB總線由主設備Master、從設備Slave，內部包括仲裁器，譯碼器，數據多路和地址控制多路組成。 ·主設備發起一次讀/寫操作，某一時刻只允許一個主設備使用總線。 ·從設備響應一次讀/寫操作，通過地址映射選擇使用哪一個從設備。 ·仲裁器允許某一個主設備控制總線 ·譯碼器通過地址譯碼決定選擇哪一個從設備 仲裁機制 仲裁機制保證了任意時刻只有一個master可以接入總線。arbiter決定哪個發出接入請求的master可以接入總線，這通過優先級算法實現。AHB規范并沒有給出優先級算法，設計者需要根據具體的系統要求定義。一般情況下arbiter不會中斷一個burst傳輸，將總線接入權讓給其他master。當然未定義長度的burst傳輸是可以打斷的，這要看優先級算法是如何規定的。如果一筆burst被打斷，master再度獲得接入權限時，會傳遞剩余的部分。如一筆長度為INCR8的傳輸在傳遞3 beat后被打斷，master再次獲得接入授權后，會繼續傳輸剩余的5 beat，剩余部分可以由一個SINGLE和一個INCR4組成，或者一個INCR。 地址譯碼器 地址譯碼器用于為總線上每個slave提供選擇信號HSELx，選擇信號是通過組合邏輯對地址碼譯碼產生的。只有當前的數據傳輸完成后（HREADY為高），slave才會采樣地址和控制信號以及HSELx。在一定條件下可能會出現這樣的情況：產生HSELx信號而HREADY為低，在當前傳輸后slave會改變。每個slave最小的地址空間為1KB，所有的master的burst傳輸上限也是1KB，如此設計保證了不會出現地址越界問題。當一個設計不會用到所有的地址空間時，可能出現訪問到一個不存在的地址的情況，這就需要增加一個附加的默認slave來為上面的情況提供一個響應。當SEQ或NONSEQ傳輸訪問到一個不存在的地址，默認slave應該提供ERROR響應；當IDLE或BUSY傳輸訪問到一個不存在的地址，默認slave會響應OKAY。地址譯碼器會帶有實現默認slave的功能。 表4?1 各個信號描述

HRESP[1:0] 響應信號 傳輸響應HRESP[1:0] 00: OKAY 01: ERROR 10: RETRY 傳輸未完成，請求主設備重新開始一個傳輸，arbiter會繼續使用通常的優先級 11: SPLIT 傳輸未完成，請求主設備分離一次傳輸，arbiter會調整優先級方案以便其他請求總線的主設備可以訪問總線 表4?2 AHB仲裁信號

V3.0 AXI（Advanced eXtensible Interface）是一種總協議，該協議是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）3.0協議中最重要的部分。 ·高性能、高帶寬、低延遲的片內總線 ·地址/控制和數據相位是分離的，分離的讀寫數據通道。控制和數據通道分離，就可以不等需要的操作完成，就發出下一個操作，流水線操作，數據吞吐量增加達到提速的作用。 ·單向通道體系結構，使得片上信息流只是以單方向傳輸，減少了延時，更小的面積，更低的功耗，獲得優異的性能。 AXI4 是第四代AMBA協議重要的一部分，AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-streamAXI4.0-lite是AXI的簡化版本，ACE4.0 是AXI緩存一致性擴展接口，AXI4.0-stream是ARM公司和Xilinx公司一起提出，主要用在FPGA進行以數據為主導的大量數據的傳輸應用。 · 適合高帶寬低延時設計，無需復雜的橋就實現高頻操作，向下兼容已有的AHB和APB接口。 ·分離地址/控制、數據相位 ·分離的讀寫數據通道，提供低功耗DMA ·使用字節線支持非對齊的數據傳輸 ·使用基于burst的傳輸，只需傳輸首地址 ·支持多種傳輸方式，支持亂序傳輸 ·允許容易的添加寄存器來進行時序收斂 AXI架構分為5個獨立的傳輸通道，讀地址通道、讀數據通道、寫地址通道、寫數據通道、寫響應通道。基于VALID/READY的握手機制數據傳輸協議，傳輸源端使用VALID表明地址/控制信號、數據是有效的，目的端使用READY表明自己能夠接受信息。數據總線可為（8/16/32/64/128/256/512/1024bit），最大為單次傳輸一個字節的數據。 信號描述 表4?3 全局信號

表4?4 寫地址通道信號

表4?5 寫數據通道信號

表4?6 寫響應通道信號

表4?7讀地址通道信號

表 4?8 讀數據通道信號

表4?9 低功耗接口信號

每個數據通道有獨立的xVALID/xREADY握手信號對。 VALID與READY信號作為一對握手信號，為防止死鎖，進行讀操作時，必須等讀地址通道握手完成，讀數據通道才可進行下一步操作。進行寫操作時，寫地址通道與寫數據通道互相獨立，但同樣必須等最后一組數據寫完成寫響應通道握手完成。 AXI協議是基于burst的，主機只給出突發傳輸的第一個字節的地址，從機必須計算突發傳輸后續的地址。突發傳輸不能跨4KB邊界（防止突發跨越兩個從機的邊界，也限制了從機所需支持的地址自增數）。 ·突發長度 ARLEN[7:0]決定讀傳輸的突發長度，AWLEN[7:0]決定寫傳輸的突發長度。AXI3只支持1~16次的突發傳輸（Burst_length=AxLEN[3:0]+1），AXI4擴展突發長度支持INCR突發類型為1~256次傳輸，對于其他的傳輸類型依然保持1~16次突發傳輸（Burst_Length=AxLEN[7:0]+1）。 ·傳輸規則 wraping burst ,burst長度必須是2,4,8,16，burst不能跨4KB邊界，不支持提前終止burst傳輸。 ·突發大小 ARSIZE[2:0],讀突發傳輸；AWSIZE[2:0],寫突發傳輸。 AxSIZE[2:0] bytes in transfer ‘b0001 ‘b0012 ‘b0104 ‘b0118 ‘b10016 ‘b10132 ‘b11064 ‘b111128 ·突發類型 FIXED：突發傳輸過程中地址固定，用于FIFO訪問 INCR：增量突發，傳輸過程中，地址遞增。增加量取決AxSIZE的值。 WRAP：回環突發，和增量突發類似，但會在特定高地址的邊界處回到低地址處。回環突發的長度只能是2,4,8,16次傳輸，傳輸首地址和每次傳輸的大小對齊。最低的地址整個傳輸的數據大小對齊。回環邊界等于（AxSIZE*AxLEN）。 AxBURST[1:0]burst type ‘b00FIXED ‘b01INCR ‘b10WRAP ‘b11Reserved Start_Address=AxADDR Number_Bytes=2^AxSIZE Burst_Length=AxLEN+1 Aligned_Addr=（INT（Start_Address/Number_Bytes))xNumber_Bytes。//INT表示向下取整。 對于INCR突發和WRAP突發但沒有到達回環邊界，地址由下述方程決定： Address_N=Aligned_Address+(N-1)xNumber_Bytes WRAP突發，突發邊界： Wrap_Boundary=(INT(Start_Address/(Number_Bytes x Burst_Length)))x(Number_Bytes x Burst_Length) 讀寫響應結構 讀傳輸的響應信息是附加在讀數據通道上的，寫傳輸的響應在寫響應通道。 RRESP[1:0],讀傳輸 BRESP[1:0],寫傳輸 OKAY(‘b00):正常訪問成功 EXOKAY(‘b01):Exclusive 訪問成功 SLVERR(‘b10):從機錯誤。表明訪問已經成功到了從機，但從機希望返回一個錯誤的情況給主機。 DECERR(‘b11):譯碼錯誤。一般由互聯組件給出，表明沒有對應的從機地址。

1.1.2AMBA概述

AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 高級處理器總線架構 AHB (Advanced High-performance Bus) 高級高性能總線 ASB (Advanced System Bus) 高級系統總線 APB (Advanced Peripheral Bus) 高級外圍總線 AXI (Advanced eXtensible Interface) 高級可拓展接口 這些內容加起來就定義出一套為了高性能SoC而設計的片上通信的標準。 AHB主要是針對高效率、高頻寬及快速系統模塊所設計的總線，它可以連接如微處理器、芯片上或芯片外的內存模塊和DMA等高效率模塊。 APB主要用在低速且低功率的外圍，可針對外圍設備作功率消耗及復雜接口的最佳化。APB在AHB和低帶寬的外圍設備之間提供了通信的橋梁，所以APB是AHB或ASB的二級拓展總線。 AXI：高速度、高帶寬，管道化互聯，單向通道，只需要首地址，讀寫并行，支持亂序，支持非對齊操作，有效支持初始延遲較高的外設，連線非常多。 表 4?10 幾種AMBA總線的性能對比分析

1.1.3AHB總線

AHB的組成 Master：能夠發起讀寫操作，提供地址和控制信號，同一時間只有1個Master會被激活。 Slave：在給定的地址范圍內對讀寫操作作響應，并對Master返回成功、失敗或者等待等狀態。 Arbiter：負責保證總線上一次只有1個Master在工作。仲裁協議是規定的，但是仲裁算法可以根據應用決定。 Decoder：負責對地址進行解碼，并提供片選信號到各Slave。 每個AHB都需要1個仲裁器和1個中央解碼器。

圖4?8 AHB的組成 AHB基本信號 HADDR：32位系統地址總線 HTRANS：M指示傳輸狀態，NONSEQ、SEQ、IDLE、BUSY HWRITE：傳輸方向1-寫，0-讀 HSIZE：傳輸單位 HBURST：傳輸的burst類型 HWDATA：寫數據總線，從M寫到S HREADY：S應答M是否讀寫操作傳輸完成，1-傳輸完成，0-需延長傳輸周期。需要注意的是HREADY作為總線上的信號，它是M和S的輸入；同時每個S需要輸出自HREADY。所以對于S會有兩個HREADY信號，一個來自總線的輸入，一個自己給到多路器的輸出。 HRESP：S應答當前傳輸狀態，OKAY、ERROR、RETRY、SPLIT。 HRDATA：讀數據總線，從S讀到M。 AHB基本傳輸 兩個階段 地址周期（AP），只有一個cycle 數據周期（DP），由HREADY信號決定需要幾個cycle 流水線傳送 先是地址周期，然后是數據周期 AHB突發傳輸與AXI突發傳輸的特點 AHB協議需要一次突發傳輸的所有地址，地址與數據鎖定對應關系，后一次突發傳輸必須在前次傳輸完成才能進行。 AXI只需要一次突發的首地址，可以連續發送多個突發傳輸首地址而無需等待前次突發傳輸完成，并且多個數據可以交錯傳遞，此特征大大提高了總線的利用率。 AHB總線與AXI總線均適用于高性能、高帶寬的SoC系統，但AXI具有更好的靈活性，而且能夠讀寫通道并行發送，互不影響；更重要的是，AXI總線支持亂序傳輸，能夠有效地利用總線的帶寬，平衡內部系統。因此SoC系統中，均以AXI總線為主總線，通過橋連接AHB總線與APB總線，這樣能夠增加SoC系統的靈活性，更加合理地把不同特征IP分配到總線上。

1.1.4APB總線

主要應用在低帶寬的外設上，如UART、 I2C，它的架構不像AHB總線是多主設備的架構，APB總線的唯一主設備是APB橋（與AXI或APB相連），因此不需要仲裁一些Request/grant信號。APB的協議也十分簡單，甚至不是流水的操作，固定兩個時鐘周期完成一次讀或寫的操作。其特性包括：兩個時鐘周期傳輸，無需等待周期和回應信號，控制邏輯簡單，只有四個控制信號。APB上的傳輸可用如圖所示的狀態圖來說明。 1、系統初始化為IDLE狀態，此時沒有傳輸操作，也沒有選中任何從模塊。 2、當有傳輸要進行時，PSELx=1,，PENABLE=0，系統進入SETUP狀態，并只會在SETUP狀態停留一個周期。當PCLK的下一個上升沿到來時，系統進入ENABLE狀態。 3、系統進入ENABLE狀態時，維持之前在SETUP狀態的PADDR、PSEL、PWRITE不變，并將PENABLE置為1。傳輸也只會在ENABLE狀態維持一個周期，在經過SETUP與ENABLE狀態之后就已完成。之后如果沒有傳輸要進行，就進入IDLE狀態等待；如果有連續的傳輸，則進入SETUP狀態。

圖4?9 APB總線