FPGA研發(fā)之道—總線

　　如果設(shè)計(jì)中有多個(gè)模塊，每個(gè)模塊內(nèi)部有許多寄存器或者存儲(chǔ)塊需要配置或者提供讀出那么實(shí)現(xiàn)方式有多種，主要如下：

　　實(shí)現(xiàn)方式一：可以在模塊頂部將所有寄存器引出，提供統(tǒng)一的模塊進(jìn)行配置和讀出。這種方式簡(jiǎn)單是簡(jiǎn)單，但是頂層連接工作量較大，并且如果配置個(gè)數(shù)較多，導(dǎo)致頂層中寄存器的數(shù)目也會(huì)較多。

　　實(shí)現(xiàn)方式二：通過(guò)總線進(jìn)行連接，為每個(gè)模塊分配一個(gè)地址范圍。這樣寄存器等擴(kuò)展就可以在模塊內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)展，而不用再頂層進(jìn)行過(guò)多的頂層互聯(lián)。如下圖所示：

　　那如果進(jìn)行總線的選擇，那么有一種極為簡(jiǎn)單的總線推薦被使用，那就是AVALON-MM的總線

　　ALTERA提出兩種總線類型，分別是AVALON-MM，

　　AVALON-ST。分別用于連接memeory 和數(shù)據(jù)流的傳送

　　MM不是你想的意思，其英文為memory map。實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射是其主要目的。主要信號(hào)包括如下表所示：

　　AVALON因此可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單實(shí)用的總線形態(tài)了。對(duì)于其操作來(lái)說(shuō)，總線為同步類型的總線，寫信號(hào)只需要在寫使能有效時(shí)，同時(shí)提供寫數(shù)據(jù)即可，而讀數(shù)據(jù)等待信號(hào)無(wú)效時(shí)，讀出數(shù)據(jù)有效。

　　同樣數(shù)據(jù)類型讀數(shù)據(jù)(readdata)和寫數(shù)據(jù)(writedata)的寬度可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要靈活配置為(8，16，32----256---1024)BIT等值。即可以支持非常大的位寬，但普通應(yīng)用，只需要(8，16，32，64)BIT等即可滿足應(yīng)用。

　　那假設(shè)總線寬度32，基本上主流的數(shù)據(jù)總線的寬度。如果需要更細(xì)粒度的劃分，確定讀寫某個(gè)字節(jié)有效，那么byteenable信號(hào)也是必須的。其需要4bit來(lái)標(biāo)示32bit(4個(gè)byte)中那個(gè)有效，每一BIT表示一個(gè)字節(jié)，因此如果要完全表示所有的字節(jié)有效，因此字節(jié)有效信號(hào)的寬度為(數(shù)據(jù)總線的寬度/8)。AVALON還可以有burst的操作。主設(shè)備可以通過(guò)burstcount設(shè)備確定brust的長(zhǎng)度，為2的n-1次方。

　　對(duì)于普通的應(yīng)用，通過(guò)上述表格中的基本操作即可滿足需求，這也正是AVALON-mm總線的優(yōu)勢(shì)。此外模塊按此標(biāo)準(zhǔn)提供連接接口，各種模塊可以掛在NIOSII的片上系統(tǒng)上。

　　如果模塊之間為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，同時(shí)傳遞大數(shù)據(jù)量的操作，那么的AVALON-mm總線就不太適合，因此AVALON_streaming總線就適合這種應(yīng)用場(chǎng)景。

　　AVALON_streaming總線本質(zhì)上是一種同步并行總線，即在同步時(shí)鐘狀態(tài)下，使能有效代表傳遞數(shù)據(jù)有效。其基本信號(hào)如下表所示：

　　從上圖中，可以看出各信號(hào)在數(shù)據(jù)傳輸中的作用，對(duì)于從設(shè)備獲取數(shù)據(jù)的處理，就是VALID有效時(shí)，數(shù)據(jù)有效的采樣操作，非常簡(jiǎn)單方便，易于處理。如果從設(shè)備設(shè)定ready永為1，則表示沒(méi)有反壓的機(jī)制，則主設(shè)備，可根據(jù)自身收包情況一直向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包。此外還有其他輔助信號(hào)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行添加。

　　使用總線使模塊標(biāo)準(zhǔn)化，便于代碼的移植和設(shè)計(jì)復(fù)用。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)總線的設(shè)定和統(tǒng)一定義也利于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)代碼的標(biāo)準(zhǔn)化，便于理解和傳播。

　　下文將介紹兩種其他應(yīng)用較廣的總線形態(tài)，AHB(AMBA)如果說(shuō)在PC時(shí)代，壟斷PC江湖的是WINTEL(微軟和英特爾)，那么在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，最具有這個(gè)潛質(zhì)的就是谷歌的andriod操作系統(tǒng)和ARM芯片?；贏RM公司授權(quán)的各型ARM處理器，基本上在各型嵌入式終端設(shè)備占據(jù)了壟斷地位。“背靠大樹(shù)好乘涼”，因此，用于作為ARM處理做片上系統(tǒng)互聯(lián)的AMBA總線標(biāo)準(zhǔn)亦成為業(yè)界應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。

　　AMBA總線事實(shí)上為三個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)的合集，分別是AHB、ASB、APB。ASB已逐漸被AHB所取代，現(xiàn)在使用最廣泛的為AHB和APB總線，以及最新的擴(kuò)展AXI總線。實(shí)際上，現(xiàn)今系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)借鑒AHB或APB總線標(biāo)準(zhǔn)，用于設(shè)計(jì)各種IP和片內(nèi)模塊之間的互聯(lián)。首先來(lái)說(shuō)AHB和APB總線，一家公司為什么會(huì)退出有兩種類型總線，這是因?yàn)锳HB一般認(rèn)為其具備更高的性能和總線吞吐能力，而APB為低速總線，用于連接低速外設(shè)。兩種總線互補(bǔ)，能夠在性能和功耗方面進(jìn)行互補(bǔ)。

　　如上圖所示

　　：AHB總線與APB總線在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　分別用于連接低速設(shè)備和高速設(shè)備。下表列舉其一些主要的差別。

　　作為單次傳輸來(lái)說(shuō)，AHB與APB的主要區(qū)別在AHB周期不固定，操作完成標(biāo)示由從設(shè)備返回hready標(biāo)示，而APB周期固定。作為burst傳輸來(lái)說(shuō)，AHB支持增量和回環(huán)兩種方式的突發(fā)。舉例說(shuō)，增量就是挨個(gè)地址自加，如總線寬度為32，地址每次自加4(字節(jié))。而回環(huán)，比如當(dāng)前地址為0xA4，而回環(huán)突發(fā)操作位0xA4， 0xA8， 0xAC， 0xA0。這種突發(fā)方式對(duì)于一些cache讀寫內(nèi)存是非常有用的，這樣可以把0xA0-0xA15十六個(gè)內(nèi)存地址一次性讀出。如果設(shè)計(jì)一條這樣的cache line，地址0xA0-0xA15其高位地址一致，便于匹配，這樣這16個(gè)字節(jié)可以通過(guò)一次突發(fā)就能全部填滿。(即回環(huán)這種設(shè)計(jì)與處理器的cache結(jié)構(gòu)是相關(guān)的，現(xiàn)在的cache line有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)，一般64字節(jié)也較為常見(jiàn))。