三種常用SoC片上總線(xiàn)的分析與比較
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SoC相比板上系統，具有許多優(yōu)點(diǎn)：
?、?nbsp;充分利用IP技術(shù)，減少產(chǎn)品設計復雜性和開(kāi)發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間；
?、?nbsp;單芯片集成電路可以有效地降低系統功耗；
?、?nbsp;減少芯片對外引腳數，簡(jiǎn)化系統加工的復雜性；
?、?nbsp;減少外圍驅動(dòng)接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快了數據傳輸和處理的速度；
?、?nbsp;內嵌的線(xiàn)路可以減少甚至避免電路板信號傳送時(shí)所造成的系統信號串擾。
SoC的設計過(guò)程中，最具特色的是IP復用技術(shù)。即選擇所需功能的IP（給出IP定義）核，集成到一個(gè)芯片中用。由于IP核的設計千差萬(wàn)別，IP核的連接就成為構造SoC的關(guān)鍵。片上總線(xiàn)（On-Chip Bus，OCB）是實(shí)現SoC中IP核連接最常見(jiàn)的技術(shù)手段，它以總線(xiàn)方式實(shí)現IP核之間數據通信。與板上總線(xiàn)不同，片上總線(xiàn)不用驅動(dòng)底板上的信號和連接器，使用更簡(jiǎn)單，速度更快。一個(gè)片上總線(xiàn)規范一般需要定義各個(gè)模塊之間初始化、仲裁、請求傳輸、響應、發(fā)送接收等過(guò)程中驅動(dòng)、時(shí)序、策略等關(guān)系。
由于片上總線(xiàn)與板上總線(xiàn)應用范圍不同，存在著(zhù)較大的差異，其主要特點(diǎn)如下：
?、?nbsp;片上總線(xiàn)要盡可能簡(jiǎn)單。首先結構要簡(jiǎn)單，這樣可以占用較少的邏輯單元；其次時(shí)序要簡(jiǎn)單，以利于提高總線(xiàn)的速度；第三接口要簡(jiǎn)單，如此可減少與IP核連接的復雜度。
?、?nbsp;片上總線(xiàn)有較大的靈活性。由于片上系統應用廣泛，不同的應用對總線(xiàn)的要求各異，因此片上總線(xiàn)具有較大的靈活性。其一，多數片上總線(xiàn)的數據和地址寬度都可變，如AMBA AHB支持32位~128位數據總線(xiàn)寬度；其二，部分片上總線(xiàn)的互連結構可變，如Wishbone總線(xiàn)支持點(diǎn)到點(diǎn)、數據流、共享總線(xiàn)和交叉開(kāi)關(guān)四種互連方式；其三，部分片上總線(xiàn)的仲裁機制靈活可變，如Wishbone總線(xiàn)的仲裁機制可以完全由用戶(hù)定制。
?、?nbsp;片上總線(xiàn)要盡可能降低功耗。因此，在實(shí)際應用時(shí)，總線(xiàn)上各種信號盡量保持不變，并且多采用單向信號線(xiàn)，降低了功耗，同時(shí)也簡(jiǎn)化了時(shí)序。上述三種片上總線(xiàn)輸入數據線(xiàn)和輸出數據線(xiàn)都是分開(kāi)的，且都沒(méi)有信號復用現象。
片上總線(xiàn)有兩種實(shí)現方案，一是選用國際上公開(kāi)通用的總線(xiàn)結構；二是根據特定領(lǐng)域自主開(kāi)發(fā)片上總線(xiàn)。本文就目前SoC上使用較多的三種片上總線(xiàn)標準——ARM的AMBA、Silicore的Wishbone和Altera的Avalon進(jìn)行討論，對三者特性進(jìn)行分析和比較。
AMBA總線(xiàn)
AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）總線(xiàn)規范是ARM公司設計的一種用于高性能嵌入式系統的總線(xiàn)標準。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宏單元的可重用性。AMBA總線(xiàn)規范是一個(gè)開(kāi)放標準，可免費從ARM獲得。目前，AMBA 擁有眾多第三方支持，被ARM公司90%以上的合作伙伴采用，在基于A(yíng)RM處理器內核的SoC設計中，已經(jīng)成為廣泛支持的現有互聯(lián)標準之一。AMBA總線(xiàn)規范2.0于1999年發(fā)布，該規范引入的先進(jìn)高性能總線(xiàn)（AHB）是現階段AMBA實(shí)現的主要形式。AHB的關(guān)鍵是對接口和互連均進(jìn)行定義，目的是在任何工藝條件下實(shí)現接口和互連的最大帶寬。AHB接口已與互連功能分離，不再僅僅是一種總線(xiàn)，而是一種帶有接口模塊的互連體系。
AMBA總線(xiàn)規范主要設計目的如下：① 滿(mǎn)足具有一個(gè)或多個(gè)CPU或DSP的嵌入式系統產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)要求；② 增加設計技術(shù)上的獨立性，確?？芍赜玫亩喾NIP核可以成功地移植到不同的系統中，適合全定制、標準單元和門(mén)陣列等技術(shù)；③ 促進(jìn)系統模塊化設計，以增加處理器的獨立性；④ 減少對底層硅的需求，以使片外的操作和測試通信更加有效。
AMBA總線(xiàn)是一個(gè)多總線(xiàn)系統。規范定義了三種可以組合使用的不同類(lèi)型的總線(xiàn)：AHB（Advanced High-performance Bus）、ASB（Advanced System Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）。典型的基于A(yíng)MBA的SoC核心部分如圖1所示。其中高性能系統總線(xiàn)（AHB或ASB）主要用以滿(mǎn)足CPU和存儲器之間的帶寬要求。CPU、片內存儲器和DMA設備等高速設備連接在其上，而系統的大部分低速外部設備則連接在低帶寬總線(xiàn)APB上。系統總線(xiàn)和外設總線(xiàn)之間用一個(gè)橋接器（AHB/ASB-APB-Bridge）進(jìn)行連接。
AMBA的AHB適用于高性能和高時(shí)鐘頻率的系統模塊。它作為高性能系統的骨干總線(xiàn)，主要用于連接高性能和高吞吐量設備之間的連接，如CPU、片上存儲器、DMA設備和DSP或其它協(xié)處理器等。其主要特性如下：
- 支持多個(gè)總線(xiàn)主設備控制器；
- 支持猝發(fā)、分裂、流水等數據傳輸方式；
- 單周期總線(xiàn)主設備控制權轉換；
- 32~128位數據總線(xiàn)寬度；
- 具有訪(fǎng)問(wèn)保護機制，以區分特權模式和非特權模式訪(fǎng)問(wèn)，指令和數據讀取等；
- 數據猝發(fā)傳輸最大為16段；
- 地址空間32位；
- 支持字節、半字和字傳輸。
AMBA的ASB適用于高性能的系統模塊。在不必要適用AHB的高速特性的場(chǎng)合，可選擇ASB作為系統總線(xiàn)。它同樣支持處理器、片上存儲器和片外處理器接口與低功耗外部宏單元之間的連接。其主要特性與AHB類(lèi)似，主要不同點(diǎn)是它讀數據和寫(xiě)數據采用同一條雙向數據總線(xiàn)。
AMBA的APB適用于低功耗的外部設備，它已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以減少功耗和對外設接口的復雜度；它可連接在兩種系統總線(xiàn)上。其主要特性如下：
- 低速、低功耗外部總線(xiàn)；
- 單個(gè)總線(xiàn)主設備控制器；
- 非常簡(jiǎn)單，加上CLOCK和RESET，總共只有4個(gè)控制信號；
- 32位地址空間；
- 最大32位數據總線(xiàn)；
- 讀數據總線(xiàn)與寫(xiě)數據總線(xiàn)分開(kāi)。
Wishbone總線(xiàn)
Wishbone最先是由Silicore公司提出的，現在已被移交給OpenCores組織維護。由于其開(kāi)放性，現在已有不少的用戶(hù)
Wishbone總線(xiàn)規范是一種片上系統IP核互連體系結構。它定義了一種IP核之間公共的邏輯接口，減輕了系統組件集成的難度，提高了系統組件的可重用性、可靠性和可移植性，加快了產(chǎn)品市場(chǎng)化的速度。Wishbone總線(xiàn)規范可用于軟核、固核和硬核，對開(kāi)發(fā)工具和目標硬件沒(méi)有特殊要求，并且幾乎兼容已有所有的綜合工具，可以用多種硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現。
Wishbone總線(xiàn)規范的目的是作為一種IP核之間的通用接口，因此它定義了一套標準的信號和總線(xiàn)周期，以連接不同的模塊，而不是試圖去規范IP核的功能和接口。
Wishbone總線(xiàn)結構十分簡(jiǎn)單，它僅僅定義了一條高速總線(xiàn)。在一個(gè)復雜的系統中，可以采用兩條Wishbone總線(xiàn)的多級總線(xiàn)結構：其一用于高性能系統部分，其二用于低速外設部分，兩者之間需要一個(gè)接口。這個(gè)接口雖然占用一些電路資源，但這比設計并連接兩種不同的總線(xiàn)要簡(jiǎn)單多了。用戶(hù)可以按需要自定義Wishbone標準，如字節對齊方式和標志位（TAG）的含義等等，還可以加上一些其它的特性。Wishbone的一種互連結構如圖2所示。
靈活性是Wishbone總線(xiàn)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于IP核種類(lèi)多樣，其間并沒(méi)有一種統一的間接方式。為滿(mǎn)足不同系統的需要，Wishbone總線(xiàn)提供了四種不同的IP核互連方式：
- 點(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point），用于兩IP核直接互連；
- 數據流（data flow），用于多個(gè)串行IP核之間的數據并發(fā)傳輸；
- 共享總線(xiàn)（shared bus），多個(gè)IP核共享一條總線(xiàn)；
- 交叉開(kāi)關(guān)（crossbar switch）（圖2），同時(shí)連接多個(gè)主從部件，提高系統吞吐量。
還有一種片外連接方式，可以連接到上面任何一種互連網(wǎng)絡(luò )中。比如說(shuō)，兩個(gè)有Wishbone接口的不同芯片之間就可以用點(diǎn)到點(diǎn)方式進(jìn)行連接。
Wishbone總線(xiàn)主要特征如下：
- 所有應用適用于同一種總線(xiàn)體系結構；
- 是一種簡(jiǎn)單、緊湊的邏輯IP核硬件接口，只需很少的邏輯單元即可實(shí)現；
- 時(shí)序非常簡(jiǎn)單；
- 主/從結構的總線(xiàn)，支持多個(gè)總線(xiàn)主設備；
- 8~64位數據總線(xiàn)（可擴充）；
- 單周期讀寫(xiě)；
- 支持所有常用的總線(xiàn)數據傳輸協(xié)議，如單字節讀寫(xiě)周期、塊傳輸周期、控制操作及其它的總線(xiàn)事務(wù)等；
- 支持多種IP核互連網(wǎng)絡(luò )，如單向總線(xiàn)、雙向總線(xiàn)、基于多路互用的互連網(wǎng)絡(luò )、基于三態(tài)的互連網(wǎng)絡(luò )等；
- 支持總線(xiàn)周期的正常結束、重試結束和錯誤結束；
- 使用用戶(hù)自定義標記（TAG），確定數據傳輸類(lèi)型、中斷向量等；
- 仲裁器機制由用戶(hù)自定義；
- 獨立于硬件技術(shù)(FPGA、ASIC、bipolar、MOS等)、IP核類(lèi)型（軟核、固核或硬核）、綜合工具、布局和布線(xiàn)技術(shù)等。
Avalon總線(xiàn)
Avalon總線(xiàn)是Altera公司設計的用于SOPC（System On Programmable Chip，可編程片上系統）中，連接片上處理器和其它IP模塊的一種簡(jiǎn)單的總線(xiàn)協(xié)議，規定了主部件和從部件之間進(jìn)行連接的端口和通信的時(shí)序。
Avalon總線(xiàn)的主要設計目的如下：① 簡(jiǎn)單性，提供一種非常易于理解的協(xié)議；② 優(yōu)化總線(xiàn)邏輯的資源使用率，將邏輯單元保存在PLD（Programmable Logic Device，可編程邏輯器件）中；③ 同步操作，將其它的邏輯單元很好地集成到同一PLD中，同時(shí)避免復雜的時(shí)序。
傳統的總線(xiàn)結構中，一個(gè)中心仲裁器控制多個(gè)主設備和從設備之間的通信。這種結構會(huì )產(chǎn)生一個(gè)瓶頸，因為任何時(shí)候只有一個(gè)主設備能訪(fǎng)問(wèn)系統總線(xiàn)。Avalon總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)構造使用一種稱(chēng)之為從設備仲裁（Slave-side arbitration）的技術(shù)，允許多個(gè)主設備控制器真正地同步操作。當有多個(gè)主設備訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)從設備時(shí)，從設備仲裁器將決定哪個(gè)主設備獲得訪(fǎng)問(wèn)權。圖3是一個(gè)多主設備同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)存儲器的例子。在此系統中，高帶寬外設，如100M以太網(wǎng)卡，可以不需暫停CPU而直接訪(fǎng)問(wèn)存儲器。通過(guò)允許存儲訪(fǎng)問(wèn)獨立于CPU。Avalon開(kāi)關(guān)結構優(yōu)化了數據流，從而提高了系統的吞吐量。
Avalon總線(xiàn)主要特性如下：
- 32位尋址空間；
- 支持字節、半字和字傳輸；
- 同步接口；
- 獨立的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)和控制線(xiàn)；
- 設備內嵌譯碼部件；
- 支持多個(gè)總線(xiàn)主設備，Avalon自動(dòng)生成仲裁機制；
- 多個(gè)主設備可同時(shí)操作使用一條總線(xiàn)；
- 可變的總線(xiàn)寬度，即可自動(dòng)調整總線(xiàn)寬度，以適應尺寸不匹配的數據；
- 提供了基于圖形界面的總線(xiàn)配置向導，簡(jiǎn)單易用。
三種片上總線(xiàn)比較
通過(guò)以上對三種總線(xiàn)特性的介紹，可以對三種總線(xiàn)作個(gè)比較，如表1所列。
基于三種總線(xiàn)的特性，可以得出其應用的綜合比較，如表2所列。
三種總線(xiàn)各有特點(diǎn)，決定了其應用范圍的不同。AMBA 總線(xiàn)規范擁有眾多第三方支持，被ARM公司90%以上的合作伙伴采用，已成為廣泛支持的現有互連標準之一。Wishbone異軍突起，其簡(jiǎn)單性和靈活性受到廣大SoC設計者的青睞。由于它是完全免費的，并有豐富的免費IP核資源，因此它有可能成為未來(lái)的片上系統總線(xiàn)互連標準。Avalon主要用于A(yíng)ltera公司系列PLD中，最大的優(yōu)點(diǎn)在于其配置的簡(jiǎn)單性，可由EDA工具快速生成，受PLD廠(chǎng)商巨頭Altera極力推薦，其影響范圍也不可忽視。
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