FPGA研發(fā)之道(19)- “背靠大樹好乘涼”--總線(下)

　　如果說在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?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/ARM">ARM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?！氨晨看髽浜贸藳觥?，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)。首先來說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。

　　作為單次傳輸來說，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傳輸來說，AHB支持增量和回環(huán)兩種方式的突發(fā)。舉例說，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)。

　　由于支持多個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行交互，那么對(duì)于多個(gè)主設(shè)備之間就存在競(jìng)爭(zhēng)。(從設(shè)備之間存在競(jìng)爭(zhēng)否?從設(shè)備之間是通過地址區(qū)分的，被動(dòng)接受主設(shè)備的訪問，不會(huì)存儲(chǔ)競(jìng)爭(zhēng)的問題。)因此如何解決競(jìng)爭(zhēng)，那就需要仲裁，即主設(shè)備誰需要訪問總線，則發(fā)起HBUSREQ，而仲裁器收到HBUSREQ，返回給相應(yīng)主設(shè)備HGRANT。此時(shí)該設(shè)備才能訪問總線。除此之外AHB還有其他一些信號(hào)，用于輔助整個(gè)系統(tǒng)的傳輸，感興趣的同志，可以看一下AMBA的總線規(guī)范。值得一提的是，作為一個(gè)總線規(guī)范，其提供了全集的解決方案，而作為實(shí)現(xiàn)部分，只需要在滿足規(guī)范的前提下，實(shí)現(xiàn)必要的功能即可，例如AHB總線中規(guī)定，其突發(fā)最大可1K字節(jié)，但是作為一個(gè)從設(shè)備，不一定需要支持這么大的操作，即實(shí)現(xiàn)功能可在總線框架內(nèi)進(jìn)行裁剪，選擇實(shí)現(xiàn)支持的類型即可。

　　在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)中，經(jīng)常有多個(gè)主設(shè)備訪問同一從設(shè)備的例子，例如內(nèi)部多個(gè)模塊都需要訪問外部存儲(chǔ)器，其實(shí)現(xiàn)方式有多種，通過AHB的連接架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展的接口單元，用于訪問外部存儲(chǔ)器。并且可以作為IP使用。AHB從設(shè)備只需要根據(jù)需要，支持某些burst傳輸即可。

　　隨著SOC(片上系統(tǒng)的發(fā)展)，對(duì)于高帶寬、低延時(shí)的總線需求更加迫切，ARM公司適時(shí)退出AXI(AMBA3.0)作為擴(kuò)展。

　　上圖分別是AXI接口的讀寫操作，分別可以看出，對(duì)于AXI總線來說，其有5組獨(dú)立的總線，分別是寫地址，寫數(shù)據(jù)，寫響應(yīng)，讀地址，讀數(shù)據(jù)信號(hào)。地址和數(shù)據(jù)信號(hào)分開，每組都有自己的控制信號(hào)。

　　每個(gè)通道中間沒有時(shí)序關(guān)聯(lián)，如何進(jìn)行操作的?舉例來說明，例如讀數(shù)據(jù)操作，實(shí)際上，主設(shè)備向從設(shè)備中寫了一個(gè)讀的命令，包括讀地址，burst大小，方式等。收到后從設(shè)備按照相應(yīng)的命令讀取相應(yīng)大小的數(shù)據(jù)，傳回主設(shè)備，其操作可以簡(jiǎn)化的看做兩個(gè)緩沖區(qū)類型的操作，主設(shè)備將讀命令寫入從設(shè)備的命令緩沖區(qū)，從設(shè)備取出后，根據(jù)命令將相應(yīng)的數(shù)據(jù)返回給主設(shè)備的接收緩沖區(qū)中。這種操作的好處顯而易見，能夠最大限度的減少總線的開銷，因此其讀與讀操作之間獨(dú)立，不用等待讀回，就可以發(fā)送下一次的讀信號(hào)。寫操作的流程亦然。

　　對(duì)FPGA設(shè)計(jì)來說，例如xilinx的接口IP(DDR例化時(shí)的接口)，都已支持AXI的接口。FPGA工程師熟悉相應(yīng)的總線接口信號(hào)和特點(diǎn)，對(duì)于技術(shù)方案選擇，IP使用和驗(yàn)證，都是非常重要的。盡量在設(shè)計(jì)中選擇標(biāo)準(zhǔn)總線接口，對(duì)于設(shè)計(jì)復(fù)用，模塊共享來說，則是必由之路。而模塊(IP)復(fù)用的益處隨著設(shè)計(jì)不斷增大將會(huì)不斷顯現(xiàn)。

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