AMBA總線新一代標(biāo)準(zhǔn)AXI分析和應(yīng)用

　　1 引言

　　ARM 作為業(yè)界頂尖的32 位RISC 嵌入式處理器，占有嵌入式處理器75％以上的市場(chǎng)。它不生產(chǎn)和銷(xiāo)售芯片，只是出售芯片技術(shù)授權(quán)。ARM 技術(shù)幾乎無(wú)所不在，ARM 嵌入式微處理器是一種高性能、低功耗的RISC 芯片，大量應(yīng)用于電子設(shè)備、無(wú)線系統(tǒng)、汽車(chē)、工業(yè)控制等各類(lèi)產(chǎn)品中。

　　ARM 公司提出用于SoC 設(shè)計(jì)中的AMBA 總線結(jié)構(gòu)，由于它的高性能，以及ARM 微處理器的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為了SoC 設(shè)計(jì)中使用相當(dāng)廣泛的總線標(biāo)準(zhǔn)。AXI 是AMBA 中一個(gè)新的高性能協(xié)議。AXI 技術(shù)豐富了現(xiàn)有的AMBA 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，滿(mǎn)足超高性能和復(fù)雜的片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計(jì)的需求。

　　2 AMBA 片上總線及應(yīng)用實(shí)例

　　在一個(gè) SoC 中，有處理器（有時(shí)不止一個(gè)）、存儲(chǔ)器和眾多的各種各樣的設(shè)備，要使它們高速度并且高效率地工作，我們需要一個(gè)高性能的片上總線。同時(shí)，高性能的片上總線可以使得SoC 具有更小的面積、更低的功耗和更高的性能。從而使我們的產(chǎn)品能以更低的成本獲得更優(yōu)異的性能?，F(xiàn)有技術(shù)上比較成熟的片上總線標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)數(shù)量不少，如OCP、CoreConnect、Wishbone等，由于ARM微處理器在嵌入式領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，其片上總線協(xié)議AMBA也成為了事實(shí)上的SoC總線標(biāo)準(zhǔn)。AMBA協(xié)議的目的是為了要推出片上總線的規(guī)范，一開(kāi)始AMBA 1.0只有ASB與APB，為了節(jié)省面積，所以這時(shí)候的總線協(xié)議都是三態(tài)總線，由于三態(tài)總線要設(shè)計(jì)者花更多的精力去注意時(shí)鐘，所以到了后來(lái)AMBA 2.0的AHB，為了更加方便設(shè)計(jì)者，總線改用多路復(fù)用器（multiplexor）的架構(gòu)，并增加了新的特性。

　　圖 1 DWT（數(shù)字對(duì)講機(jī)）SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　AMBA 總線除了基本的數(shù)據(jù)訪問(wèn)功能外，還具有許多其他不可或缺的特性如下：

　　AMBA有優(yōu)秀的握手協(xié)議，由專(zhuān)門(mén)的仲裁模塊（Arbiter）來(lái)決定各主設(shè)備（Master）的訪問(wèn)請(qǐng)求。這種優(yōu)先級(jí)的設(shè)定是靈活而又隨時(shí)可變的，這使系統(tǒng)總線的調(diào)度非常有效率。

　　AMBA2.0以上版本都是基于單沿時(shí)鐘、單向信號(hào)線的協(xié)議。這使它非常適合于現(xiàn)代大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化的要求，與EDA工具的耦合非常自然，容易達(dá)到更高的時(shí)鐘頻率。

　　AMBA的地址和數(shù)據(jù)相位間有流水線的關(guān)系，使存儲(chǔ)器訪問(wèn)可以提前準(zhǔn)備，使主設(shè)備間的切換不浪費(fèi)額外的時(shí)鐘周期，尤其特別適合與內(nèi)置流水線的處理器接口。

　　AMBA2.0支持許多先進(jìn)的訪問(wèn)方式，如連續(xù)型訪問(wèn)（burST）可以加快某些快速存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度；離線型訪問(wèn)（split）可以讓某些慢速設(shè)備在不占用總線的情況下，先將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，再發(fā)起相應(yīng)的總線訪問(wèn)行為。在AMBA3.0中，對(duì)各種突發(fā)訪問(wèn)、亂序訪問(wèn)將有更好的支持。這些技術(shù)特點(diǎn)使AMBA可以運(yùn)行在更高的時(shí)鐘頻率，在相同的頻率下可以提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量。

　　一個(gè)以AMBA架構(gòu)的SoC，一般來(lái)說(shuō)包含了高性能（high-performance）系統(tǒng)總線(AMBA ASB或 AMBA AHB 或 AMBA AXI)與低功耗（low-power）的外圍總線（AMBA APB）?，F(xiàn)在市場(chǎng)上大部分的基于AMBA架構(gòu)的SoC產(chǎn)品，系統(tǒng)總線采用AHB，外部總線采用APB。系統(tǒng)總線負(fù)責(zé)連接例如ARM嵌入式處理器、DMA控制器、片上存儲(chǔ)器或其他需要高帶寬的元件。而外圍總線則是用以連接系統(tǒng)的外圍元件，其協(xié)議相對(duì)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，而兩種總線通過(guò)總線橋相連。通過(guò)這種機(jī)制來(lái)減輕系統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān)。

　　筆者參與了清華大學(xué)與意法半導(dǎo)體合作開(kāi)發(fā)民用數(shù)字對(duì)講機(jī)（Digital Walkie-Talkie,簡(jiǎn)稱(chēng)DWT）SoC芯片的項(xiàng)目研發(fā)工作，這是一款基于ARM9處理器、AMBA總線的典型數(shù)?；旌蟂oC，其系統(tǒng)框圖如圖2所示，方框內(nèi)為SoC集成的模塊。

　　圖 2 基于AXI應(yīng)用結(jié)構(gòu)框圖

　　3 AXI

　　隨著SoC 設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加和CPU 處理能力的提升，總線結(jié)構(gòu)會(huì)成為系統(tǒng)性能的瓶頸。在多處理器SoC 設(shè)計(jì)中，這種瓶頸現(xiàn)象更加明顯。綜合考慮成本、功耗和面積，SoC 設(shè)計(jì)中選用何種高效的總線結(jié)構(gòu)是比較困難的，同時(shí)總線結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)所要求達(dá)到的性能又是非常重要的。

　　隨著下一代高性能 SoC 設(shè)計(jì)的需要，比如多處理器核、多重存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、DMA 控制器等，AMBA 需要新一代靈活性更強(qiáng)的總線結(jié)構(gòu)，這就是AMBA 3.0 AXI 總線。AXI 是1999年發(fā)布的AMBA 2.0 的繼承和提升，是ARM 公司與其他的芯片制造商包括高通、東芝和愛(ài)立信等公司共同研發(fā)的。新協(xié)議的發(fā)布，為新一代高性能SoC 的設(shè)計(jì)鋪平了道路。

　　AXI 能夠使SoC 以更小的面積、更低的功耗，獲得更加優(yōu)異的性能。AXI 獲得如此優(yōu)異性能的一個(gè)主要原因，就是它的單向通道體系結(jié)構(gòu)。單向通道體系結(jié)構(gòu)使得片上的信息流只以單方向傳輸，減少了延時(shí)。

　　選擇采用何種總線，我們要*估到底怎樣的總線頻率才能滿(mǎn)足我們的需求，而同時(shí)不會(huì)消耗過(guò)多的功耗和片上面積。ARM一直致力于以最低的成本和功耗追求更高的性能。這一努力已經(jīng)通過(guò)連續(xù)一代又一代處理器內(nèi)核的發(fā)布得到了實(shí)現(xiàn)，每一代新的處理器內(nèi)核都會(huì)引入新的流水線設(shè)計(jì)、新的指令集以及新的高速緩存結(jié)構(gòu)。這促成了眾多創(chuàng)新移動(dòng)產(chǎn)品的誕生，并且推動(dòng)了ARM架構(gòu)向性能、功耗以及成本之間的完美平衡發(fā)展。

　　AXI總線是一種多通道傳輸總線，將地址、讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)、握手信號(hào)在不同的通道中發(fā)送，不同的訪問(wèn)之間順序可以打亂，用BUSID來(lái)表示各個(gè)訪問(wèn)的歸屬。主設(shè)備在沒(méi)有得到返回?cái)?shù)據(jù)的情況下可發(fā)出多個(gè)讀寫(xiě)操作。讀回的數(shù)據(jù)順序可以被打亂，同時(shí)還支持非對(duì)齊數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

　　AXI總線還定義了在進(jìn)出低功耗節(jié)電模式前后的握手協(xié)議。規(guī)定如何通知進(jìn)入低功耗模式，何時(shí)關(guān)斷時(shí)鐘，何時(shí)開(kāi)啟時(shí)鐘，如何退出低功耗模式。這使得所有IP在進(jìn)行功耗控制的設(shè)計(jì)時(shí)，有據(jù)可依，容易集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)中。AXI與上一代總線AHB的主要性能比較見(jiàn)表1。

　　新的高性能AXI協(xié)議技術(shù)性能新的特點(diǎn)主要包括：

　　單向通道體系結(jié)構(gòu)。信息流只以單方向傳輸，簡(jiǎn)化時(shí)鐘域間的橋接，減少門(mén)數(shù)量。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的片上系統(tǒng)時(shí)，減少延時(shí)。

　　支持多項(xiàng)數(shù)據(jù)交換。通過(guò)并行執(zhí)行猝發(fā)操作，極大地提高了數(shù)據(jù)吞吐能力，可在更短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，在滿(mǎn)足高性能要求的同時(shí)，又減少了功耗。

　　獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)通道。地址和數(shù)據(jù)通道分開(kāi)，能對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，可以根據(jù)需要控制時(shí)序通道，將時(shí)鐘頻率提到最高，并將延時(shí)降到最低。

　　增強(qiáng)的靈活性。AXI技術(shù)擁有對(duì)稱(chēng)的主從接口，無(wú)論在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或在多層系統(tǒng)中，都能十分方便地使用AXI技術(shù)。

　　4 AXI 的應(yīng)用

　　SoC系統(tǒng)中總線的選擇不僅要看其性能，還要看其應(yīng)用范圍，更加重要的是，是否有足夠的IP核資源可供利用。為了加速基于AXI總線的應(yīng)用設(shè)計(jì)，ARM最新發(fā)布了面向片內(nèi)總線AXI的3種IP內(nèi)核。分別為：二級(jí)緩存控制電路L220、輸出AXI標(biāo)準(zhǔn)總線的工具PL300以及同步DRAM控制電路PL340。3種產(chǎn)品的供貨將加快AXI的普及步伐。3種產(chǎn)品均為可邏輯合成的軟核，支持ARM1156T2F-S、ARM1176JZF-S與MPCore三種CPU內(nèi)核。

　　這些預(yù)先檢驗(yàn)的AXI系統(tǒng)元件將協(xié)助研發(fā)者迅速針對(duì)內(nèi)建ARM11系列處理器的SoC開(kāi)發(fā)出高集成度的產(chǎn)品。AXI系統(tǒng)元件提供一條具備高效率的傳輸管道，從處理器連接快速緩存、存儲(chǔ)控制器及外部存儲(chǔ)器。上述優(yōu)勢(shì)使ARM11系列處理器即使搭配速度較慢的內(nèi)存，也可以發(fā)揮出相當(dāng)高的性能。由于CPU與芯片外部存儲(chǔ)器之間的通信已成為主要的性能瓶頸，因此設(shè)計(jì)人員將會(huì)視該項(xiàng)技術(shù)為極具價(jià)值的方案。

　　二級(jí)緩存控制電路L220是面向ARM內(nèi)核中首款支持二級(jí)緩存的電路。二級(jí)緩存除可用于個(gè)人電腦微處理器等一般用途外，還支持MIPS微處理器等。使用此次二級(jí)緩存控制電路、同時(shí)配備256kB的二級(jí)緩存時(shí)，MPEG-4的解碼處理所需的時(shí)間只相當(dāng)于沒(méi)有配備二級(jí)緩存時(shí)的一半。另外，256kB二級(jí)緩存的面積采用臺(tái)灣TSMC的130nm設(shè)計(jì)規(guī)格、為6mm2，成本大約為0.41美元（約合人民幣3.4元）。L220支持ARM的電源電壓與工作頻率控制技術(shù)“IEM”，可有效控制二級(jí)緩存的電源電壓等。

　　PL300是一種可以生成具有任意數(shù)量主從設(shè)備的總線的工具。傳送速度在平均每層166MHz工作頻率下為1.3GB/秒。使用XML記述主從設(shè)備等的設(shè)定，就會(huì)生成相應(yīng)總線的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。同步DRAM控制電路PL340配備16位×64位寬的DDR接口。今后將支持DDR2與奇偶校驗(yàn)。L220、PL300與PL340均已開(kāi)始提供使用授權(quán)。只需在簽合同時(shí)支付授權(quán)費(fèi)用，之后的生產(chǎn)中不必每枚芯片交納授權(quán)費(fèi)用。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　筆者在參與一個(gè)基于 ARM9 的SoC 研發(fā)的基礎(chǔ)上，從應(yīng)用需求的角度上研究和比較了AMBA 總線的優(yōu)異性能和新特性。本文的創(chuàng)新點(diǎn)，是詳細(xì)比較了AXI 和老一代總線AHB的性能，并再此基礎(chǔ)上給出了他們的工程應(yīng)用實(shí)例結(jié)構(gòu)，為SoC 設(shè)計(jì)中總線選擇以及使用AMBA 總線進(jìn)行應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了參考。從上面的比較和總結(jié)可以看出，AXI 總線技術(shù)上可以提供內(nèi)核速度的吞吐量，經(jīng)濟(jì)上ARM 有豐富而且免費(fèi)的IP 核資源可供利用。

　　目前市場(chǎng)上的應(yīng)用產(chǎn)品基本都是基于 AMBA 2 AHB，基于AXI 和ARM11 的應(yīng)用產(chǎn)品還比較少，但是AXI 的廣泛應(yīng)用只是一個(gè)時(shí)間的問(wèn)題。AXI 片上總線的推出，把SoC 的設(shè)計(jì)推向了一個(gè)新的臺(tái)階，設(shè)計(jì)者可以更加方便快速的設(shè)計(jì)出高性能SoC。