SOPC設(shè)計中的兩種片上總線分析

SoC(Systemon Chip,片上系統(tǒng))以其能提高產(chǎn)品性能、縮小產(chǎn)品體積等優(yōu)點,逐漸成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主流趨勢。SOPC(System On a Programmable Chip,可編程片上系統(tǒng))利用可編程邏輯器件來實現(xiàn)SoC,具有設(shè)計方式靈活,可裁減、可擴充、可升級,并具備軟硬件在系統(tǒng)可配置的性能。將處理器IP(Intellectual Property,知識產(chǎn)權(quán))內(nèi)核嵌入到可編程邏輯器件是SOPC設(shè)計的前提條件。

在Altera的FPGA器件上嵌入處理器等IP核可實現(xiàn)SOPC,設(shè)計時可使用的RISC處理器核有3種:ARM的工業(yè)標準處理器硬核ARM922T、Altera的16位Nios和32位Nios II處理器軟核,而片上總線可采用AMBA和Avalon兩種總線。在嵌入了ARM922T的Excalibur系列FPGA上,使用了AMBA總線的高性能總線AHB(Advanced High-performance Bus);而在可嵌入Nios的FPGA上則使用Avalon總線。這兩種總線也是目前SoC設(shè)計使用較多的片上總線標準。

1　片上總線與傳統(tǒng)總線體系的比較

片上總線是實現(xiàn)SoC中IP核連接最常見的技術(shù)手段,它以總線方式實現(xiàn)IP核之間的數(shù)據(jù)通信。片上總線規(guī)范一般需要定義各個模塊之間初始化、仲裁、請求傳輸、響應(yīng)、發(fā)送接收等過程中的驅(qū)動、時序、策略等關(guān)系。

傳統(tǒng)總線協(xié)議中,仲裁器控制一至多個總線主設(shè)備與從設(shè)備的通信。總線主設(shè)備首先通過仲裁器來申請總線控制權(quán),然后仲裁器才允許單一主設(shè)備訪問總線。如果多個主設(shè)備試圖同時訪問總線,仲裁器將根據(jù)既定的仲裁策略,將總線資源分配給其中一個主設(shè)備。例如,在優(yōu)先級仲裁機制中,優(yōu)先級高的主設(shè)備將首先得到總線控制權(quán)。

控制總線的主設(shè)備會占用總線,并與相應(yīng)從設(shè)備通信。圖1說明了優(yōu)先級仲裁總線體系的結(jié)構(gòu),該體系在傳統(tǒng)微處理器系統(tǒng)中工作良好。由于主、從設(shè)備是位于印制板或底板上的獨立部件,總線需要驅(qū)動底板上的信號和連接器。而且,鑒于有限的印制板資源和可用I/O引腳數(shù)目,所有系統(tǒng)部件還必須共用總線。

片上總線無需驅(qū)動底板上的信號和連接器,使用更簡單且速度更快;同時,為了滿足帶寬要求,片上總線普遍采用并發(fā)多主設(shè)備總線體系。這種總線體系通過消除傳統(tǒng)總線系統(tǒng)中一次僅有一個主設(shè)備可以訪問系統(tǒng)總線的帶寬瓶頸,來增加系統(tǒng)帶寬。在此體系中,總線主設(shè)備競爭的是獨立的從設(shè)備,而非總線本身。
　
2　AMBA總線及其應(yīng)用
　
2.1　AMBA總線

AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)總線用于高性能嵌入式系統(tǒng),獨立于處理器和制造工藝技術(shù),增強了各種應(yīng)用中外設(shè)和系統(tǒng)宏單元的可重用性。AMBA是多總線體系,目前的AMBA總線規(guī)范2.0版定義了3種可以組合使用的總線體系:APB(Advanced Peripheral Bus),ASB(Advanced System Bus),AHB。AHB是現(xiàn)階段AMBA的主要形式。