高級(jí)微控制器總線結(jié)構(gòu)完美解析

高級(jí)微控制器總線結(jié)構(gòu)Advanced Microcontroller Bus Architecture（AMBA）定義了高性能嵌入式微控制器的通信標(biāo)準(zhǔn)?？梢詫ISC處理器集成在其他IP芯核和外設(shè)中，它是有效連接IP核的“數(shù)字膠”，并且是ARM復(fù)用策略的重要組件。它不是芯片與外設(shè)之間的接口，而是ARM內(nèi)核與芯片上其他元件進(jìn)行通信的接口。比如Xilinx公司的Zynq芯片，就是ARM與FPGA之間的連接通路。

AMBA3.0 協(xié)議：

1 Advanced High-performance Bus （AHB）

AHB總線用于高性能，高時(shí)鐘工作頻率模塊。AHB在AMBA架構(gòu)中為系統(tǒng)的高性能運(yùn)行起到了基石作用。AHB為高性能處理器，片上內(nèi)存，片外內(nèi)存提供接口，同時(shí)橋接慢速外設(shè)。高性能，數(shù)據(jù)傳輸，多總線主控制器，突發(fā)連續(xù)傳輸，分步傳輸。

AHB總線協(xié)議是AMBA的新一代總線協(xié)議，支持多種高性能總線主控制器。

特性：

a 突發(fā)連續(xù)傳輸

b 分步傳輸

c 支持多個(gè)主控制器、單周期內(nèi)主控制器處理

d 單時(shí)鐘邊沿操作

e 非三態(tài)操作

f 支持64位，128位總線

g 支持字節(jié)，半字節(jié)和字的傳輸。

AHB總線通過(guò)DMA和DSP，允許在總線上存在一個(gè)或多個(gè)主控制器。雖然APB總線上可以掛接慢速外設(shè)，但是也允許在AHB上掛接一些慢速外設(shè)作為從設(shè)備，不過(guò)它們通常還是掛接在APB總線上。

AHB總線通常設(shè)計(jì)時(shí)包含以下幾個(gè)設(shè)備：

a AHB主控制器：主控制器可以通過(guò)地址和控制信息，可以進(jìn)行初始化，讀，寫(xiě)操作。在同一時(shí)間，總線上只能有一個(gè)主控制器。

b AHB從設(shè)備：從設(shè)備通常是指在其地址空間內(nèi)，響應(yīng)主控制器發(fā)出的讀寫(xiě)控制操作的被動(dòng)設(shè)備。通過(guò)操作的成功與否反饋給其主控制器，完成數(shù)據(jù)的傳輸控制。

c AHB仲裁器：仲裁器根據(jù)用戶的配置，確保在總線上同一時(shí)間只有一個(gè)主控制器擁有總線控制權(quán)限。AHB總線上只能有一個(gè)仲裁器。

d AHB譯碼器：譯碼器解析在總線上傳輸?shù)牡刂泛涂刂菩畔ⅰHB總線上只能有一個(gè)譯碼器。

2 Advanced System Bus （ASB）

ASB總線主要用于高性能系統(tǒng)模塊。ASB是可用于AHB不需要的高性能特性的芯片設(shè)計(jì)上可選的系統(tǒng)總線。ASB也支持高性能處理器，片上內(nèi)存，片外內(nèi)存提供接口和慢速外設(shè)。高性能，數(shù)據(jù)傳輸，多總線主控制器，突發(fā)連續(xù)傳輸。ASB總線是位于APB總線架構(gòu)之上的用于高性能的總線協(xié)議，它有如下特點(diǎn)：

a 突發(fā)連續(xù)傳輸

b 單管道數(shù)據(jù)傳輸

c 多總線主控制器

3 Advanced Peripheral Bus （APB）

APB總線用于為慢速外設(shè)提供總線技術(shù)支持。

APB是一種優(yōu)化的，低功耗的，精簡(jiǎn)接口總線，可以技術(shù)多種不同慢速外設(shè)。由于APB是ARM公司最早提出的總線接口，APB可以橋接ARM體系下每一種系統(tǒng)總線。低功耗，尋址控制，支持簡(jiǎn)單接口協(xié)議，支持多種外設(shè)。APB通過(guò)橋接高帶寬、高性能總線，提供基本的微控制器二級(jí)總線，通常該總線上的外設(shè)有以下特點(diǎn)：支持映射寄存器接口，對(duì)帶寬沒(méi)有很高的要求，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制。

APB總線接口協(xié)議是AMBA協(xié)議層次結(jié)構(gòu)中的一部分，它是高度優(yōu)化的連接低功耗外設(shè)的精簡(jiǎn)接口。

APB看起來(lái)是一個(gè)本地的二級(jí)總線接口協(xié)議，用作AHB，ASB總線協(xié)議的從設(shè)備接口。

APB橋是從控制器模塊用來(lái)保證不同總線數(shù)據(jù)的有效傳輸和不同總線上控制信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)處理。

APB應(yīng)該用于連接低帶寬，且不需求高性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐庠O(shè)。最新的APB總線協(xié)議規(guī)定了所有的信號(hào)傳遞都發(fā)生在時(shí)鐘的上升沿。這樣設(shè)計(jì)有以下優(yōu)勢(shì)：

a 易于實(shí)現(xiàn)高頻率操作

b performance is independent of the mark-space raTIo of the clock

c 通過(guò)單時(shí)鐘操作簡(jiǎn)化靜態(tài)時(shí)序

d no special consideraTIons are required for automaTIc test inserTIon

e 許多ASIC庫(kù)在上升沿寄存器有更好的選擇

f 簡(jiǎn)化整合的時(shí)鐘模擬器

上述的優(yōu)勢(shì)也說(shuō)明APB總線可以更好的鏈接最新的AHB總線接口。

APB總線協(xié)議包含一個(gè)APB橋，它用來(lái)將AHB，ASB總線上的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為APB從設(shè)備控制器上可用信號(hào)。APB總線上所有的外設(shè)都是從設(shè)備，這些從設(shè)備有以下特點(diǎn)：

a 接收有效的地址和控制訪問(wèn)

b 當(dāng)APB上的外設(shè)處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以將這些外設(shè)處于0功耗狀態(tài)

c 譯碼器可以通過(guò)選通信號(hào)，提供輸出時(shí)序（非鎖定接口）

d 訪問(wèn)時(shí)可執(zhí)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入

APB主要用于低帶寬的周邊外設(shè)之間的連接，例如UART、1284等，它的總線架構(gòu)不像AHB支持多個(gè)主模塊，在APB里面唯一的主模塊就是APB 橋。其特性包括：兩個(gè)時(shí)鐘周期傳輸、無(wú)需等待周期和回應(yīng)信號(hào)、控制邏輯簡(jiǎn)單，只有四個(gè)控制信號(hào)。APB上的傳輸可以用如圖3所示的狀態(tài)圖來(lái)說(shuō)明。

1） 系統(tǒng)初始化為IDLE狀態(tài)，此時(shí)沒(méi)有傳輸操作，也沒(méi)有選中任何從模塊。

2） 當(dāng)有傳輸要進(jìn)行時(shí)，PSELx＝1，PENABLE＝0，系統(tǒng)進(jìn)入SETUP狀態(tài)，并只會(huì)在SETUP 狀態(tài)停留一個(gè)周期。當(dāng)PCLK的下一個(gè)上升沿時(shí)到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入ENABLE 狀態(tài)。

3） 系統(tǒng)進(jìn)入ENABLE狀態(tài)時(shí)，維持之前在SETUP 狀態(tài)的PADDR、PSEL、PWRITE不變，并將PENABLE置為1。傳輸也只會(huì)在ENABLE狀態(tài)維持一個(gè)周期，在經(jīng)過(guò)SETUP與ENABLE狀態(tài)之后就已完成。之后如果沒(méi)有傳輸要進(jìn)行，就進(jìn)入IDLE狀態(tài)等待；如果有連續(xù)的傳輸，則進(jìn)入SETUP狀態(tài)。

4 基于AMBA的片上系統(tǒng)

大多數(shù)掛在總線上的模塊（包括處理器）只是單一屬性的功能模塊：主模塊或者從模塊。主模塊是向從模塊發(fā)出讀寫(xiě)操作的模塊，如CPU，DSP等；從模塊是接受命令并做出反應(yīng)的模塊，如片上的RAM，AHB／APB 橋等。另外，還有一些模塊同時(shí)具有兩種屬性，例如直接存儲(chǔ)器存取（DMA）在被編程時(shí)是從模塊，但在系統(tǒng)讀傳輸數(shù)據(jù)時(shí)必須是主模塊。

如果總線上存在多個(gè)主模塊，就需要仲裁器來(lái)決定如何控制各種主模塊對(duì)總線的訪問(wèn)。雖然仲裁規(guī)范是AMBA總線規(guī)范中的一部分，但具體使用的算法由RTL設(shè)計(jì)工程師決定，其中兩個(gè)最常用的算法是固定優(yōu)先級(jí)算法和循環(huán)制算法。AHB總線上最多可以有16個(gè)主模塊和任意多個(gè)從模塊，如果主模塊數(shù)目大于16，則需再加一層結(jié)構(gòu)（具體參閱ARM公司推出的Multi-layer AHB規(guī)范）。

APB 橋既是APB總線上唯一的主模塊，也是AHB系統(tǒng)總線上的從模塊。其主要功能是鎖存來(lái)自AHB系統(tǒng)總線的地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，并提供二級(jí)譯碼以產(chǎn)生APB外圍設(shè)備的選擇信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)AHB協(xié)議到APB協(xié)議的轉(zhuǎn)換。