三種常用SoC片上總線的分析與比較

　　AMBA的AHB適用于高性能和高時鐘頻率的系統(tǒng)模塊。它作為高性能系統(tǒng)的骨干總線，主要用于連接高性能和高吞吐量設(shè)備之間的連接，如CPU、片上存儲器、DMA設(shè)備和DSP或其它協(xié)處理器等。其主要特性如下：

• 支持多個總線主設(shè)備控制器；
• 支持猝發(fā)、分裂、流水等數(shù)據(jù)傳輸方式；
• 單周期總線主設(shè)備控制權(quán)轉(zhuǎn)換；
• 32~128位數(shù)據(jù)總線寬度；
• 具有訪問保護機制，以區(qū)分特權(quán)模式和非特權(quán)模式訪問，指令和數(shù)據(jù)讀取等；
• 數(shù)據(jù)猝發(fā)傳輸最大為16段；
• 地址空間32位；
• 支持字節(jié)、半字和字傳輸。

　　AMBA的ASB適用于高性能的系統(tǒng)模塊。在不必要適用AHB的高速特性的場合，可選擇ASB作為系統(tǒng)總線。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類似，主要不同點是它讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)采用同一條雙向數(shù)據(jù)總線。

　　AMBA的APB適用于低功耗的外部設(shè)備，它已經(jīng)過優(yōu)化，以減少功耗和對外設(shè)接口的復(fù)雜度；它可連接在兩種系統(tǒng)總線上。其主要特性如下：

• 低速、低功耗外部總線；
• 單個總線主設(shè)備控制器；
• 非常簡單，加上CLOCK和RESET，總共只有4個控制信號；
• 32位地址空間；
• 最大32位數(shù)據(jù)總線；
• 讀數(shù)據(jù)總線與寫數(shù)據(jù)總線分開。

　　Wishbone總線

　　Wishbone最先是由Silicore公司提出的，現(xiàn)在已被移交給OpenCores組織維護。由于其開放性，現(xiàn)在已有不少的用戶

　　Wishbone總線規(guī)范是一種片上系統(tǒng)IP核互連體系結(jié)構(gòu)。它定義了一種IP核之間公共的邏輯接口，減輕了系統(tǒng)組件集成的難度，提高了系統(tǒng)組件的可重用性、可靠性和可移植性，加快了產(chǎn)品市場化的速度。Wishbone總線規(guī)范可用于軟核、固核和硬核，對開發(fā)工具和目標(biāo)硬件沒有特殊要求，并且?guī)缀跫嫒菀延兴械木C合工具，可以用多種硬件描述語言來實現(xiàn)。

　　Wishbone總線規(guī)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(biāo)準(zhǔn)的信號和總線周期，以連接不同的模塊，而不是試圖去規(guī)范IP核的功能和接口。

　　Wishbone總線結(jié)構(gòu)十分簡單，它僅僅定義了一條高速總線。在一個復(fù)雜的系統(tǒng)中，可以采用兩條Wishbone總線的多級總線結(jié)構(gòu)：其一用于高性能系統(tǒng)部分，其二用于低速外設(shè)部分，兩者之間需要一個接口。這個接口雖然占用一些電路資源，但這比設(shè)計并連接兩種不同的總線要簡單多了。用戶可以按需要自定義Wishbone標(biāo)準(zhǔn)，如字節(jié)對齊方式和標(biāo)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　靈活性是Wishbone總線的另一個優(yōu)點。由于IP核種類多樣，其間并沒有一種統(tǒng)一的間接方式。為滿足不同系統(tǒng)的需要，Wishbone總線提供了四種不同的IP核互連方式：

• 點到點（point-to-point），用于兩IP核直接互連；
• 數(shù)據(jù)流（data flow），用于多個串行IP核之間的數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸；
• 共享總線（shared bus），多個IP核共享一條總線；
• 交叉開關(guān)（crossbar switch）（圖2），同時連接多個主從部件，提高系統(tǒng)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，兩個有Wishbone接口的不同芯片之間就可以用點到點方式進行連接。

　　Wishbone總線主要特征如下：

• 所有應(yīng)用適用于同一種總線體系結(jié)構(gòu)；
• 是一種簡單、緊湊的邏輯IP核硬件接口，只需很少的邏輯單元即可實現(xiàn)；
• 時序非常簡單；
• 主/從結(jié)構(gòu)的總線，支持多個總線主設(shè)備；
• 8~64位數(shù)據(jù)總線（可擴充）；
• 單周期讀寫；
• 支持所有常用的總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如單字節(jié)讀寫周期、塊傳輸周期、控制操作及其它的總線事務(wù)等；
• 支持多種IP核互連網(wǎng)絡(luò)，如單向總線、雙向總線、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；
• 支持總線周期的正常結(jié)束、重試結(jié)束和錯誤結(jié)束；
• 使用用戶自定義標(biāo)記（TAG），確定數(shù)據(jù)傳輸類型、中斷向量等；
• 仲裁器機制由用戶自定義；
• 獨立于硬件技術(shù)(FPGA、ASIC、bipolar、MOS等)、IP核類型（軟核、固核或硬核）、綜合工具、布局和布線技術(shù)等。

    Avalon總線

　　Avalon總線是Altera公司設(shè)計的用于SOPC（System On Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng)）中，連接片上處理器和其它IP模塊的一種簡單的總線協(xié)議，規(guī)定了主部件和從部件之間進行連接的端口和通信的時序。

　　Avalon總線的主要設(shè)計目的如下：① 簡單性，提供一種非常易于理解的協(xié)議；② 優(yōu)化總線邏輯的資源使用率，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，同時避免復(fù)雜的時序。

　　傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)中，一個中心仲裁器控制多個主設(shè)備和從設(shè)備之間的通信。這種結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一個瓶頸，因為任何時候只有一個主設(shè)備能訪問系統(tǒng)總線。Avalon總線的開關(guān)構(gòu)造使用一種稱之為從設(shè)備仲裁（Slave-side arbitration）的技術(shù)，允許多個主設(shè)備控制器真正地同步操作。當(dāng)有多個主設(shè)備訪問同一個從設(shè)備時，從設(shè)備仲裁器將決定哪個主設(shè)備獲得訪問權(quán)。圖3是一個多主設(shè)備同時訪問存儲器的例子。在此系統(tǒng)中，高帶寬外設(shè)，如100M以太網(wǎng)卡，可以不需暫停CPU而直接訪問存儲器。通過允許存儲訪問獨立于CPU。Avalon開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化了數(shù)據(jù)流，從而提高了系統(tǒng)的吞吐量。

　　Avalon總線主要特性如下：

• 32位尋址空間；
• 支持字節(jié)、半字和字傳輸；
• 同步接口；
• 獨立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線；
• 設(shè)備內(nèi)嵌譯碼部件；
• 支持多個總線主設(shè)備，Avalon自動生成仲裁機制；
• 多個主設(shè)備可同時操作使用一條總線；
• 可變的總線寬度，即可自動調(diào)整總線寬度，以適應(yīng)尺寸不匹配的數(shù)據(jù)；
• 提供了基于圖形界面的總線配置向?qū)В唵我子谩?

　　三種片上總線比較

　　通過以上對三種總線特性的介紹，可以對三種總線作個比較，如表1所列。

　　基于三種總線的特性，可以得出其應(yīng)用的綜合比較，如表2所列。

　　三種總線各有特點，決定了其應(yīng)用范圍的不同。AMBA 總線規(guī)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(xiàn)有互連標(biāo)準(zhǔn)之一。Wishbone異軍突起，其簡單性和靈活性受到廣大SoC設(shè)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的片上系統(tǒng)總線互連標(biāo)準(zhǔn)。Avalon主要用于Altera公司系列PLD中，最大的優(yōu)點在于其配置的簡單性，可由EDA工具快速生成，受PLD廠商巨頭Altera極力推薦，其影響范圍也不可忽視。