第2章 AMBA协议规范

XilinxAllProgrammableZynq-7000SoC设计指南主讲：何宾Email：[e-mail]大学计划课程2AMBA协议是ARM公司制定的用于SOC内IP互联的规范AMBA协议规范主要内容AMBA规范概述、AMBAAPB规范、AMBAAHB规范和AMBAAXI4规范。本章除了详细介绍APB和AHB规范外，还详细介绍了AMBAAXI4规范，AXI4规范是ARM和Xilinx共同制定的，最新一代的用于SOC内IP互连的规范。3高级微控制器总线结构(AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture,AMBA)AMBA协议规范--AMBA规范导论AMBA规范定义了片上通信的标准，用于设计高性能嵌入式微控制器。它被ARM公司和众多的厂商所支持。AMBA协议规范--AMBA规范导论4应用领域AMBA用于片上系统（System-on-a-chip,SoC）的片上总线。自从AMBA出现后，其应用领域早已超出了微控制器设备，现在被广泛的应用于各种范围的ASIC和SOC器件，包括用于便携设备的应用处理器。功能介绍AMBA协议是一个开放标准的，片上互联规范，用于SoC内功能模块的连接和管理。它便于第一时间开发带有大量控制器和外设的多处理器设计。5高级系统总线（AdvancedSystemBus,ASB）高级外设总线（AdvancedPeripheralBus，APB）AMBA协议规范--AMBAV1.06ARM增加了AMBA高性能总线（AMBAHigh-performanceBus,AHB），它是一个单个时钟沿的协议。高级高性能总线（AdvancedHigh-performanceBus,AHB)。高级系统总线（AdvancedSystemBus,ASB）高级外设总线（AdvancedPeripheralBus,APB)AMBA协议规范---AMBAV2.07在2003年，ARM推出了第三个版本，AMBA3高级可扩展接口（AdvancedeXtensibleInterface,AXI3或AXIv1.0)（用于更高性能的互连）高级高性能总线简化（AdvancedHigh-performanceBusLite,AHB-Litev1.0)。高级外设总线（AdvancedPeripheralBus，APBv1.0)。高级跟踪总线（AdvancedTraceBus，ATBv1.0)（用于CoreSight片上调试和跟踪解决方案）AMBA协议规范---AMBAv3.08AXI4协议2009年，Xilinx同ARM密切合作，共同为基于FPGA的高性能系统和设计定义了AXI4规范。并且在其新一代可编程门阵列芯片上采用了高级可扩展接口。AMBA协议规范---AMBAV4.09AXI一致性扩展（AXICoherencyExtensions,ACE)。AXI一致性扩展简化（AXICoherencyExtensionsLite,ACE-Lite)。高级可扩展接口4（AdvancedeXtensibleInterface4,AXI4)。高级可扩展接口4简化（AdvancedeXtensibleInterface4Lite,AXI4-Lite)。AMBA规范(版本4)定义了的总线/接口AMBA协议规范---AMBAV4.010高级可扩展接口4流（AdvancedeXtensibleInterface4Stream,AXI4-Streamv1.0)。高级跟踪总线（AdvancedTraceBus,ATBv1.1)。高级外设总线（AdvancedPeripheralBus,APBv2.0)。AMBA规范(版本4)定义了的总线/接口AMBA协议规范---AMBAV4.011适合于高带宽和低延迟设计。在不使用复杂的桥接方式下，允许更高频率的操作。满足普遍情况下的元件接口要求。适用于高初始访问延迟的存储器控制器。为互联结构的实现提供了灵活性。与已有的AHB和APB接口向下兼容。最新一代的AMBA4接口的目标AMBA协议规范---AMBAV4.012APB属于AMBA3协议系列，它提供了一个低功耗的接口，并降低了接口的复杂性。APB接口用在低带宽和不需要高性能总线的外围设备上。APB是非流水线结构，所有的信号仅与时钟上升沿相关，这样就可以简化APB外围设备的设计流程，每个传输至少消耗两个周期。APB可以与AMBA高级高性能总线和AMBA高级可扩展接口连接。--AMBAAPB规范13APB写传输包括两种类型：无等待状态写传输有等待状态写传输AMBAAPB协议规范--AMBAAPB写传输14一个基本的无等待状态的写传输地址、写入数据、写入信号和选择信号都在时钟上升沿后改变。AMBAAPB写传输--无等待写传输15T1：写传输开始于地址PADDR，写数据PWDATA，写信号PWRITE和选择信号PSEL，在PSCLK的上升沿寄存。这称为写传输的建立周期。T2：使能信号PENABLE和准备信号PREADY，在PSCLK的上升沿寄存。当确认时，PENABLE表示传输访问周期的开始。当确认时，PREADY表示在PCLK的下一个上升沿从设备可以完成传输。AMBAAPB写传输--无等待写传输16地址PADDR，写数据PWDATA和控制信号保持有限，直到在T3完成传输，结束访问周期。在传输结束后，使能信号PENABLE变成无效。选择信号PSEL也变成无效，除非相同的外设立即开始下一个传输。AMBAAPB写传输--无等待写传输17AMBAAPB写传输--有等待写传输18有等待状态写传输，下面信号保持不变：地址：PADDR写信号：PWRITE选择信号：PSEL使能信号：PENABLE写数据：PWDATA.写选通：PSTRB保护类型：PPROTAMBAAPB写传输--有等待写传输19在访问周期，当PENABLE为高，可以通过拉低PREADY来扩展传输。当PENABLE为低的时候，PREADY可以为任何值。确保外围器件有固定的两个周期来使PREADY为高。注意：推荐地址和写信号在传输结束后不要立即更改，保持当前状态直到下一个传输，这样可以降低功耗。AMBAAPB写传输--有等待写传输20读传输包括以下两种类型无等待状态读传输有等待状态读传输AMBAAPB协议规范---AMBAAPB读传输21在读传输结束以前，从设备必须提供数据。AMBAAPB读传输--无等待读传输22在有等待读传输中，使用PREADY信号来添加两个周期。也可以添加多个周期。在传输过程中也可以添加多个周期。如果在访问周期内拉低PREADY信号，则扩展读传输。AMBAAPB读传输--有等待读传输23协议保证在额外的扩展周期时，下面的信号保持不变地址：PADDR。写信号：PWRITE。选择信号：PSEL。使能信号：PENABLE。保护类型：PPROT。AMBAAPB读传输--有等待读传输24PSLVERR可以用来指示APB传输错误条件。在读和写交易中，可以发生错误条件。在一个APB传输中，在最后一个周期内，PSEL、PENABLE和PREADY都是高时，PSLVERR才认为是有效的。AMBAAPB协议规范---AMBAAPB错误响应25接收到一个错误的交易，可能改变外设的状态（这是由外设指定的）。当一个写交易接收到一个错误时，并不意味着外设内的寄存器没有更新。读交易接收到一个错误时，能返回无效的数据。对于一个读错误，并不要求外设将数据总线驱动为0。AMBAAPB协议规范--AMBAAPB错误响应26AMBAAPB错误响应--写传输失败的例子27AMBAAPB错误响应--读传输失败的例子28从AXI到APB一个APB错误被映射回RRRSP/BRESP=SLVERR，这可以通过将PSLVERR映射到RRESP[1]信号（用于读）和BRESP[1]（用于写）信号来实现。从AHB到APB对于读和写，PSLVERR被映射回HRESP=SLVERR，这可以通过将PSLVERR映射到AHB信号HRESP[0]信号来实现。AMBAAPB错误响应--PSLVERR映射（桥接时）29APB总线操作状态图AMBAAPB协议规范---操作状态30IDLE这是默认的APB状态。SETUP当传输被请求时，总线进入SETUP状态，选择信号PSELx,被置位。总线仅在SETUP状态停留一个时钟周期，并在下一个时钟周期进入ACCESS状态AMBAAPB协议规范---操作状态31ACCESS使能信号PENABLE,在ACCESS状态中置位。在传输从SETUP状态到ACCESS状态转变的过程中address,write,select和writedata信号必须保持不变。从ACCESS状态退出，由从器件的PREADY信号控制：如果PREADY为低，保持ACCESS状态。如果PREADY为高，则退出ACCESS状态，如果此时没有其它传输请求，总线返回IDLE状态，否则进入SETUP状态AMBAAPB协议规范---操作状态32信号来源描述PCLK时钟源时钟PRESETn系统总线复位。APB复位信号低有效。该信号一般直接与系统总线复位信号相连。PADDRAPB桥地址总线。最大可达32位，由外设总线桥单元驱动。PPROTAPB桥保护类型。这个信号表示交易普通的、剥夺的或者安全保护级别，以及这个交易是数据访问或者指令访问。PSELxAPB桥选择信号。APB桥单元产生到每个外设从设备的信号。该信号表示从设备被选中，要求一个数据传输。每个从设备都有一个PSELx信号。AMBAAPB协议规范---AMBA3APB信号及描述33信号来源描述PENABLEAPB桥使能信号。这个信号表示APB传输的第二个和随后的周期。PWRITEAPB桥方向。该信号为高时，表示APB写访问；当该信号为低时，表示APB读访问。PWDATAAPB桥写数据。当PWRITE为高时，在写周期内，外设总线桥单元驱动写数据总线。PSTRBAPB桥写选通，这个信号表示在写传输时，更新哪个字节通道。每8个比特位有一个写选通信号。因此，PSTRB[n]对应于PWDATA[(8n+7):(8n)]。在读传输时，写选通不是活动的。PREADY从接口准备好。从设备使用该信号来扩展APB传输。PRDATA从接口读取的数据。当PWRITE位低，在读周期，所选择的从设备驱动这个总线。这个总线最多个32位宽度。PSLVERR从接口这个信号表示传输失败。APB外设不要求PSLVERR引脚。对已经存在和新APB外设设计。当外设不包含这个引脚时，到APB桥的合适的数据拉低。AMBA协议规范---AMBA3APB信号及描述34AHB是新一代的AMBA总线，目的用于解决高性能可同步的设计要求。AHB是一个新级别的总线，高于APB，用于实现高性能、高时钟频率系统的特征要求.AMBA协议规范---AMBAAHB规范AMBA协议规范---AMBAAHB规范这些要求包括：猝发传输.分裂交易.单周期总线主设备交接.单时钟沿操作.无三态实现.更宽的数据总线配置（64/128比特）.3536高性能ARM处理器高性能片上RAM高带宽存储器接口DMA总线主设备AHB到APB桥桥一个典型的AHB系统AMBAAHB规范--AMBAAHB结构37典型的,一个基于AMBA的微控制器包括:高性能系统背板总线，能够支持外部存储器的带宽，在这个总线上存在CPU和其它DMA设备。加上一个较窄的APB总线，在上面有较低带宽的外设。一个典型AMBA系统中包括AHB和APB总线结构AMBAAHB规范--AMBAAHB结构38AMBA高级高性能总线AHBAMBA高级外设总线APB高性能流水线操作猝发传输多个总线主设备分裂交易低功耗锁存的地址和控制简单的接口适合很多外设AHB和APB总线的特性比较AMBAAHB规范--AMBAAHB结构39基于中心多路复用互联机制，设