引 言

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)工業(yè)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)進(jìn)入深亞微米時(shí)代，器件特征尺寸越來越小，芯片規(guī)模越來越大，可以在單芯片上集成上百萬到數(shù)億只晶體管。如此密集的集成度使我們現(xiàn)在能夠在一小塊芯片上把以前由CPU和若干I/O接口等數(shù)塊芯片實(shí)現(xiàn)的功能集成起來，由單片集成電路構(gòu)成功能強(qiáng)大的、完整的系統(tǒng)，這就是我們通常所說的片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）。由于功能完整，SoC逐漸成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主流。

SoC相比板上系統(tǒng)，具有許多優(yōu)點(diǎn)：

① 充分利用IP技術(shù)，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜性和開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間；

② 單芯片集成電路可以有效地降低系統(tǒng)功耗；

③ 減少芯片對(duì)外引腳數(shù)，簡化系統(tǒng)加工的復(fù)雜性；

④ 減少外圍驅(qū)動(dòng)接口單元及電路板之間的信號(hào)傳遞，加快了數(shù)據(jù)傳輸和處理的速度；

⑤ 內(nèi)嵌的線路可以減少甚至避免電路板信號(hào)傳送時(shí)所造成的系統(tǒng)信號(hào)串?dāng)_。

SoC的設(shè)計(jì)過程中，最具特色的是IP復(fù)用技術(shù)。即選擇所需功能的IP（給出IP定義）核，集成到一個(gè)芯片中用。由于IP核的設(shè)計(jì)千差萬別，IP核的連接就成為構(gòu)造SoC的關(guān)鍵。片上總線（On-Chip Bus，OCB）是實(shí)現(xiàn)SoC中IP核連接最常見的技術(shù)手段，它以總線方式實(shí)現(xiàn)IP核之間數(shù)據(jù)通信。與板上總線不同，片上總線不用驅(qū)動(dòng)底板上的信號(hào)和連接器，使用更簡單，速度更快。一個(gè)片上總線規(guī)范一般需要定義各個(gè)模塊之間初始化、仲裁、請(qǐng)求傳輸、響應(yīng)、發(fā)送接收等過程中驅(qū)動(dòng)、時(shí)序、策略等關(guān)系。

由于片上總線與板上總線應(yīng)用范圍不同，存在著較大的差異，其主要特點(diǎn)如下：

① 片上總線要盡可能簡單。首先結(jié)構(gòu)要簡單，這樣可以占用較少的邏輯單元；其次時(shí)序要簡單，以利于提高總線的速度；第三接口要簡單，如此可減少與IP核連接的復(fù)雜度。

② 片上總線有較大的靈活性。由于片上系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，不同的應(yīng)用對(duì)總線的要求各異，因此片上總線具有較大的靈活性。其一，多數(shù)片上總線的數(shù)據(jù)和地址寬度都可變，如AMBA AHB支持32位~128位數(shù)據(jù)總線寬度；其二，部分片上總線的互連結(jié)構(gòu)可變，如Wishbone總線支持點(diǎn)到點(diǎn)、數(shù)據(jù)流、共享總線和交叉開關(guān)四種互連方式；其三，部分片上總線的仲裁機(jī)制靈活可變，如Wishbone總線的仲裁機(jī)制可以完全由用戶定制。

③ 片上總線要盡可能降低功耗。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，總線上各種信號(hào)盡量保持不變，并且多采用單向信號(hào)線，降低了功耗，同時(shí)也簡化了時(shí)序。上述三種片上總線輸入數(shù)據(jù)線和輸出數(shù)據(jù)線都是分開的，且都沒有信號(hào)復(fù)用現(xiàn)象。

片上總線有兩種實(shí)現(xiàn)方案，一是選用國際上公開通用的總線結(jié)構(gòu)；二是根據(jù)特定領(lǐng)域自主開發(fā)片上總線。本文就目前SoC上使用較多的三種片上總線標(biāo)準(zhǔn)——ARM的AMBA、Silicore的Wishbone和Altera的Avalon進(jìn)行討論，對(duì)三者特性進(jìn)行分析和比較。

1、 AMBA總線

AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）總線規(guī)范是ARM公司設(shè)計(jì)的一種用于高性能嵌入式系統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)。它獨(dú)立于處理器和制造工藝技術(shù)，增強(qiáng)了各種應(yīng)用中的外設(shè)和系統(tǒng)宏單元的可重用性。AMBA總線規(guī)范是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，可免費(fèi)從ARM獲得。目前，AMBA 擁有眾多第三方支持，被ARM公司90%以上的合作伙伴采用，在基于ARM處理器內(nèi)核的SoC設(shè)計(jì)中，已經(jīng)成為廣泛支持的現(xiàn)有互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)之一。AMBA總線規(guī)范2.0于1999年發(fā)布，該規(guī)范引入的先進(jìn)高性能總線（AHB）是現(xiàn)階段AMBA實(shí)現(xiàn)的主要形式。AHB的關(guān)鍵是對(duì)接口和互連均進(jìn)行定義，目的是在任何工藝條件下實(shí)現(xiàn)接口和互連的最大帶寬。AHB接口已與互連功能分離，不再僅僅是一種總線，而是一種帶有接口模塊的互連體系。

AMBA總線規(guī)范主要設(shè)計(jì)目的如下：① 滿足具有一個(gè)或多個(gè)CPU或DSP的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的快速開發(fā)要求；② 增加設(shè)計(jì)技術(shù)上的獨(dú)立性，確保可重用的多種IP核可以成功地移植到不同的系統(tǒng)中，適合全定制、標(biāo)準(zhǔn)單元和門陣列等技術(shù)；③ 促進(jìn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，以增加處理器的獨(dú)立性；④ 減少對(duì)底層硅的需求，以使片外的操作和測試通信更加有效。

AMBA總線是一個(gè)多總線系統(tǒng)。規(guī)范定義了三種可以組合使用的不同類型的總線：AHB（Advanced High-performance Bus）、ASB（Advanced System Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）。

典型的基于AMBA的SoC核心部分如圖1所示。其中高性能系統(tǒng)總線（AHB或ASB）主要用以滿足CPU和存儲(chǔ)器之間的帶寬要求。CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器和DMA設(shè)備等高速設(shè)備連接在其上，而系統(tǒng)的大部分低速外部設(shè)備則連接在低帶寬總線APB上。系統(tǒng)總線和外設(shè)總線之間用一個(gè)橋接器（AHB/ASB-APB-Bridge）進(jìn)行連接。

AMBA的AHB適用于高性能和高時(shí)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(chǔ)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(gè)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(hù)機(jī)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(chǔ)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(diǎn)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(duì)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(gè)總線主設(shè)備控制器；

非常簡單，加上CLOCK和RESET，總共只有4個(gè)控制信號(hào)；

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。

2 、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(hù)。由于其開放性，現(xiàn)在已有不少的用戶群體，特別是一些免費(fèi)的IP核，大多數(shù)都采用Wishbone標(biāo)準(zhǔn)。

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(duì)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(shí)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(hào)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，可以采用兩條Wishbone總線的多級(jí)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(gè)接口。這個(gè)接口雖然占用一些電路資源，但這比設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point），用于兩IP核直接互連；

數(shù)據(jù)流（data flow），用于多個(gè)串行IP核之間的數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸；

共享總線（shared bus），多個(gè)IP核共享一條總線；

交叉開關(guān)（crossbar switch）（圖2），同時(shí)連接多個(gè)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(gè)有Wishbone接口的不同芯片之間就可以用點(diǎn)到點(diǎn)方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)；

時(shí)序非常簡單；

主/從結(jié)構(gòu)的總線，支持多個(gè)總線主設(shè)備；

8~64位數(shù)據(jù)總線（可擴(kuò)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(cuò)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(jī)制由用戶自定義；

獨(dú)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。

3 、Avalon總線

Avalon總線是Altera公司設(shè)計(jì)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(jìn)行連接的端口和通信的時(shí)序。

Avalon總線的主要設(shè)計(jì)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(shí)避免復(fù)雜的時(shí)序。

傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)中，一個(gè)中心仲裁器控制多個(gè)主設(shè)備和從設(shè)備之間的通信。這種結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瓶頸，因?yàn)槿魏螘r(shí)候只有一個(gè)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(gè)主設(shè)備控制器真正地同步操作。當(dāng)有多個(gè)主設(shè)備訪問同一個(gè)從設(shè)備時(shí)，從設(shè)備仲裁器將決定哪個(gè)主設(shè)備獲得訪問權(quán)。圖3是一個(gè)多主設(shè)備同時(shí)訪問存儲(chǔ)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(chǔ)器。通過允許存儲(chǔ)訪問獨(dú)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(dú)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(gè)總線主設(shè)備，Avalon自動(dòng)生成仲裁機(jī)制；

多個(gè)主設(shè)備可同時(shí)操作使用一條總線；

可變的總線寬度，即可自動(dòng)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?/p>

4、 三種片上總線比較

三種總線各有特點(diǎn)，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(jì)者的青睞。由于它是完全免費(fèi)的，并有豐富的免費(fèi)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(diǎn)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。

結(jié) 語

本文對(duì)SoC中常用的三種總線AMBA、Wishbone和Avalon的特性進(jìn)行了詳細(xì)分析和比較，在此基礎(chǔ)上闡述了各自的應(yīng)用范圍，為SoC設(shè)計(jì)中總線選擇提供了參考。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，是否有足夠的IP核資源可用等等。另外，SoC中可以選用的總線還有很多，如IBM的CoreConnect、Plamchip的CoreFrame、Mentor Graphics的FISPbus等等。雖然這些總線目前的應(yīng)用范圍都遠(yuǎn)不如本文介紹的三種總線廣泛，但是各有其特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。因此，在SoC中選用片上總線時(shí)，需要進(jìn)行認(rèn)真選擇。

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