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正文內(nèi)容

基于amba的手機(jī)芯片soc總線架構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用(編輯修改稿)

2024-07-25 00:30 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線比較目前有較大影響的 IP核互連規(guī)范有IBM的CoreConnect總線、ARM的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)、Silicore Corp的Wishbone、開(kāi)放核心協(xié)議國(guó)際聯(lián)合(OCPIP)的OCP (Open Core Protocol)與虛擬插座接口連盟VSIA (Virtual Socket Interface Alliance)的VCI(Virtual Component Interface)、Altera的Avalon總線, 以及PlamchIP的CoreFrame 、MIPS的ECTM Interface, Altera的AtlanticTM Interface、IDT的IPBusTM (IDT Peripheral Bus)、Sonics的SiliconBackplaneTM μN(yùn)etwork等,新的互連方案如基于PCI的方案也在積極發(fā)展中,下面就前面幾種予以介紹。 IBM的CoreConnect總線CoreConnect總線的邏輯結(jié)構(gòu)如圖11所示。CoreConnect采用了總線分段的方式,提供了三種基本類(lèi)型總線,即處理器內(nèi)部總線PLB(Processor Local Bus)、片上外圍總線OPB(OnChip Peripheral Bus)和設(shè)備控制總線DCR(Device Control Register)。PLB提供了一個(gè)高帶寬、低延遲、高性能的處理器內(nèi)部總線;OPB則用于連接具有不同的總線寬度及時(shí)序要求的外設(shè)和內(nèi)存;DCR用來(lái)在CPU通用寄存器與設(shè)備控制寄存器之間傳輸數(shù)據(jù),以減少PLB的負(fù)荷,增加其帶寬。表格 1 圖11 CoreConnect總線的邏輯結(jié)構(gòu) ARM的AMBA總線AMBA總線的邏輯結(jié)構(gòu)如圖12所示。同CoreConnect相似,AMBA也采用分段多總線體系,定義了三種不同類(lèi)型的總線:AHB、ASP和APB。AHB用于高性能、高數(shù)據(jù)吞吐部件,如CPU、DMA、DSP之間的互連,ASP用來(lái)作處理器與外設(shè)之間的互連,APB則為系統(tǒng)的低速外部設(shè)備提供低功耗的簡(jiǎn)易互連。系統(tǒng)總線和外設(shè)總線之間的橋接器提供AHB/ASP部件與APB部件間的訪問(wèn)代理與緩沖。表格 2 圖12 AMBA總線的邏輯結(jié)構(gòu) Silicore的Wishbone總線Wishbone邏輯結(jié)構(gòu)如圖13所示。Wishbone采用的是主/從的構(gòu)架,主、從部件通過(guò)內(nèi)連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連。表格 3 圖13 Wishbone邏輯結(jié)構(gòu)wishbone更著重定義IP核的接口信號(hào)和總線周期標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)IP核的重用,而對(duì)主從部件互連的內(nèi)連網(wǎng)絡(luò),它只是定義了點(diǎn)到點(diǎn)(pointtopoint)、數(shù)據(jù)流(data flow)、共享總線(shared bus)、交叉開(kāi)關(guān)(crossbar switch)四種不同形式,需由用戶(hù)來(lái)靈活選擇、生成、擴(kuò)展,用戶(hù)還可用兩條Wishbone總線進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的集成。 。 OCPIP的OCPOCP 的IP核互連結(jié)構(gòu)圖如圖14所示。OCP是基于定義一套完整通用IP核插座接口標(biāo)準(zhǔn)的互連方案,通過(guò)定義IP核與對(duì)應(yīng)接口模塊間點(diǎn)到點(diǎn)的接口信號(hào)協(xié)議,如數(shù)據(jù)信號(hào)、邊帶信號(hào)和測(cè)試信號(hào)等,來(lái)實(shí)現(xiàn)IP核的可重用、即插即用、認(rèn)證及測(cè)試,及不同IP核接口的集成,點(diǎn)到點(diǎn)的接口方式簡(jiǎn)單且可完成數(shù)據(jù)的高速傳輸。對(duì)連接各接口模塊的片上內(nèi)連總線形式,OCP未作定義,由用戶(hù)來(lái)擴(kuò)展。 表格 4 圖14 OCP 的IP核互連結(jié)構(gòu)圖VSIA同OCP相仿,也通過(guò)定義IP核的接口及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同IP核的互連。OCP對(duì)接口定義更為完整,并且兼容VSIA,可以認(rèn)為VSIA是OCP的一個(gè)子集。兩個(gè)VCI通過(guò)總線互連的邏輯結(jié)構(gòu)示意如圖15所示。表格 5 圖15 兩個(gè)VCI通過(guò)總線互連的邏輯結(jié)構(gòu) Altera的Avalon總線Avalon總線是Altera 可編程片上系統(tǒng)SoPC(systemonaprogrammable chip)IP核互連解決方案, SoPC Builder 來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)模塊(包括Avalon)的生成和集成。集成的系統(tǒng)示意圖如圖16所示。表格 6 圖16 Avalon總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中 Avalon總線模塊完成了整個(gè)可編程系統(tǒng)片上部件及外設(shè)之間互連,包括了控制、數(shù)據(jù)、地址信號(hào)及總線的仲裁。Avalon總線模塊的一個(gè)邏輯示例如圖17所示。表格 7 圖17 Avalon總線模塊邏輯示例圖Avalon采用了開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及從部件仲裁方式提供對(duì)主部件的同時(shí)互連,外部件與Avalon時(shí)鐘同步操作,使用非三態(tài)總線,主、從部件間多種帶寬互連,支持?jǐn)?shù)據(jù)流傳輸。Avalon同時(shí)對(duì)總線信號(hào)的定時(shí)、主從部件傳輸?shù)男盘?hào)作了定義,以便于不同IP核的集成。 Altera大部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的IP都采用該標(biāo)準(zhǔn)。 智能手機(jī)芯片設(shè)計(jì)要求與AMBA片上總線標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì) 智能手機(jī)芯片設(shè)計(jì)要求 模塊標(biāo)準(zhǔn)化和可復(fù)用性對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)芯片來(lái)說(shuō),各模塊并不能由一人或少數(shù)幾人設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證一般由好幾個(gè)小組共同完成,甚至不同的模塊由不同的設(shè)計(jì)公司提供。還有可能模塊并不是同一時(shí)期的產(chǎn)物,是從過(guò)去繼承或從市場(chǎng)上選擇的(就是我們通常所說(shuō)的IP)。多種多樣的模塊來(lái)源要求必須有統(tǒng)一的接口,以易于規(guī)范設(shè)計(jì)、即插即用。這樣的概念已經(jīng)在PC機(jī)的主機(jī)箱里發(fā)揮到極致,如PCI接口。現(xiàn)在只不過(guò)搬到了芯片內(nèi)部,用來(lái)統(tǒng)一各個(gè)模塊間的連接。統(tǒng)一的接口可以比自定義的私有互連更容易理解,接口標(biāo)準(zhǔn)化同時(shí)也推動(dòng)了模塊的重復(fù)使用。 驗(yàn)證層次的可劃分性復(fù)雜的系統(tǒng)芯片不能一開(kāi)始就做全系統(tǒng)的調(diào)試,需要按邏輯層次來(lái)劃分驗(yàn)證層次。通常先驗(yàn)證模塊或子系統(tǒng),然后再全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。如果一個(gè)模塊沒(méi)有統(tǒng)一的接口,而都是含義豐富的專(zhuān)用連線,很難保證測(cè)試的覆蓋率,這些連線的測(cè)試激勵(lì)或測(cè)試結(jié)果的跟蹤對(duì)于驗(yàn)證工程師來(lái)說(shuō)將是個(gè)巨大且痛苦的挑戰(zhàn)。如果有一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口,驗(yàn)證工程師只需根據(jù)時(shí)間先后發(fā)出固定時(shí)序的信號(hào),驗(yàn)證效率將得到極大提高。如果這個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛應(yīng)用,還有許多第三方資源可供利用,如專(zhuān)門(mén)的驗(yàn)證IP、EDA產(chǎn)品、甚至免費(fèi)工程資源和使用經(jīng)驗(yàn)等?,F(xiàn)在的系統(tǒng)芯片動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)門(mén)、上千萬(wàn)門(mén),再加上存儲(chǔ)器的面積,已經(jīng)不是普通驗(yàn)證平臺(tái)可以勝任的。不少公司推出了大型驗(yàn)證平臺(tái)的產(chǎn)品,通常由許多巨大的FPGA陣列組成。在這樣的平臺(tái)上驗(yàn)證芯片,要求芯片的設(shè)計(jì)必須有簡(jiǎn)單的可劃分性。一是功能的可劃分性,二是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可劃分性。如果模塊間的互連信號(hào)太多又沒(méi)有規(guī)律,功能上很難區(qū)分在不同的FPGA之間,邏輯連線也使普通的FPGA管腳不夠用。如果模塊間的互聯(lián)統(tǒng)一簡(jiǎn)潔,那么在劃分和調(diào)試的時(shí)候便很方便。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)芯片而言,內(nèi)部模塊的連接應(yīng)該盡可能地標(biāo)準(zhǔn)化。 AMBA總線協(xié)議的優(yōu)勢(shì)現(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,而AMBA由于擁有龐大的AMBA使用者社區(qū)和廣泛的使用比率,在眾多的標(biāo)準(zhǔn)里脫穎而出。下面便主要介紹AMBA在各方面的優(yōu)勢(shì)。 AMBA在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)如果從數(shù)據(jù)傳送角度來(lái)看,任何功能完整的存儲(chǔ)器接口加上適當(dāng)?shù)奈帐謪f(xié)議,都可以滿(mǎn)足片上總線的定義。但除了基本的數(shù)據(jù)訪問(wèn)功能外,AMBA還具有許多其他不可或缺的特性。首先,AMBA有優(yōu)秀的握手協(xié)議,由專(zhuān)門(mén)的仲裁模塊來(lái)決定各主設(shè)備的訪問(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。其次,、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。再次,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。另外,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。,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。從控制角度來(lái)看。其次,ARM把很多處理器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)帶入了總線協(xié)議,在協(xié)議中加入了一些控制特性,如有關(guān)取指令還是取數(shù)據(jù)、用戶(hù)模式還是特權(quán)模式、可否緩存等信息,這些信息在處理器以外的系統(tǒng)同樣發(fā)揮重要的作用。支持這些協(xié)議的模塊可以判斷數(shù)據(jù)訪問(wèn)的目的和權(quán)限,對(duì)于運(yùn)行操作系統(tǒng)的設(shè)備和注重安全性的設(shè)備非常有用。同時(shí)還可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性,對(duì)于有通信功能和多處理器共享需求的系統(tǒng)非常關(guān)鍵。以上種種特點(diǎn),可以體現(xiàn)出AMBA協(xié)議在功能上的優(yōu)越性。 利于SOC的集成、驗(yàn)證和測(cè)試?yán)硐氲目偩€標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該讓遵循它的各種部件可以即插即用,這種統(tǒng)一性又必須易于實(shí)現(xiàn)。AMBA協(xié)議是開(kāi)放的總線協(xié)議,設(shè)計(jì)者采用該協(xié)議完全是免費(fèi)。同時(shí),市場(chǎng)上還有眾多工具和IP公司提供基于AMBA的工具和服務(wù),但在這個(gè)龐大的AMBA開(kāi)發(fā)者社區(qū)里面,大家遵循的標(biāo)準(zhǔn)是嚴(yán)格統(tǒng)一的,能完全保證各個(gè)部分的即插即用性。這是很多其他總線標(biāo)準(zhǔn)的缺陷,要么得不到第三方支持,要么多方使用的協(xié)議類(lèi)似但各有差異。正是因?yàn)锳MBA易于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)統(tǒng)一性造就了AMBA與眾不同的地位。 良好的維護(hù)和發(fā)展前景因?yàn)榭偩€標(biāo)準(zhǔn)的選擇是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作,一旦確定,往往以后的所有設(shè)計(jì)工作都將基于它來(lái)進(jìn)行,但同時(shí)技術(shù)的發(fā)展又是不斷向前的。從工程師的角度來(lái)看,我們不能夠期望今天使用的某項(xiàng)技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)可以一成不變地使用很多年。就片上總線標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō),需要確定該標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議擁有優(yōu)秀的技術(shù)維護(hù)力量,能夠隨著技術(shù)的變化發(fā)展不斷演進(jìn)。AMBA無(wú)疑滿(mǎn)足了這些要求,它最先由ARM指定并維護(hù),后來(lái)隨著影響的擴(kuò)大,許多知名半導(dǎo)體公司都為其發(fā)展完善作出了巨大貢獻(xiàn)。 課題的意義由于CMOS制造技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)今已經(jīng)可以輕易的把數(shù)百萬(wàn)門(mén)的晶體整合到單一晶片IC(Intergrated Circuit)上。然而,雖然晶片設(shè)計(jì)密度一直隨著摩爾定律成直線發(fā)展,但是設(shè)計(jì)生產(chǎn)力落差卻逐漸拉開(kāi)。也就是說(shuō)采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式,我們所設(shè)計(jì)的電路無(wú)法充分的使用單顆IC的面積,因此造成制造成本的浪費(fèi)。在如何使晶片尺寸更小、效能增加、成本降低、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,以及功率消耗更低的效益驅(qū)動(dòng)下,SOC的應(yīng)用得到持續(xù)的發(fā)展。透過(guò)重復(fù)使用的設(shè)計(jì)觀念,將不同的供應(yīng)商設(shè)計(jì)的IP快速、可靠地集成到SOC中,便成為當(dāng)今一個(gè)重要的課題。本文對(duì)ARM公司的SOC片上總線既AHB總線協(xié)議作了詳細(xì)的分析,包括了總線的系統(tǒng)架構(gòu),掛在總線上的設(shè)備模塊接口的各種控制信號(hào)以及總線各種傳輸狀態(tài)下的信號(hào)時(shí)序分析,在這基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了AHB總線系統(tǒng)在智能手機(jī)芯片SOC設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用。第二章 AMBA總線架構(gòu)分析AMBA協(xié)定的目的是為了推出onchip bus的規(guī)范,為了節(jié)省面積,所以這時(shí)候的bus協(xié)定都是tristate的,(tristate bus要花更多精力去注意timing),因此AMBA bus改用multiplexor的架構(gòu),并增加了新的特性。一個(gè)以AMBA架構(gòu)的SOC一般包含了highperformance的system busAHB與lowpower的peripheral bus APB。System bus是負(fù)責(zé)連接如ARM之類(lèi)的embedded processor與DMA controller,onchip memory和其他interface,而peripheral bus則是用來(lái)連接系統(tǒng)的周邊元件,其protocol相對(duì)AHB來(lái)講較為簡(jiǎn)單,與AHB之間則通過(guò)Bridge相連,一個(gè)典型的AMBA架構(gòu)如圖21所示。表格 8 圖21 AMBA架構(gòu)圖 AMBA AHB總線協(xié)議 AHB總線簡(jiǎn)介AHB總線是AMBA片內(nèi)總線結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)總線,它可以解決高性能可綜合設(shè)計(jì)的要求,并可以支持多總線處理器核、滿(mǎn)足高帶寬數(shù)據(jù)傳輸要求,AMBA AHB總線具有高性能、高時(shí)鐘頻率系統(tǒng)的多種特性,包括:支持猝發(fā)(burst)傳輸;支持分立(SPLIT)傳輸;支持單周期主設(shè)備切換;單時(shí)鐘沿操作;多路復(fù)用(非三態(tài))實(shí)施方案;高達(dá)1024位的可變數(shù)據(jù)總線寬度結(jié)構(gòu)。一個(gè)典型的AMBA AHB系統(tǒng)中包含以下幾個(gè)組件:(1) AHB主設(shè)備(master)啟動(dòng)讀、寫(xiě)總線操作的芯核。在任何時(shí)候,只能有一個(gè)總線主設(shè)備在使用總線。(2) AHB從設(shè)備(slave)響應(yīng)(非啟動(dòng))讀或?qū)懣偩€操作的芯核。從設(shè)備信號(hào)向AHB主設(shè)備指明當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)(成功、失敗,或等待)。(3) AHB仲栽器(仲裁器)確定訪問(wèn)總線的下一個(gè)總線主設(shè)備,以保證任何時(shí)刻只有一個(gè)主設(shè)備能啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)AHB系統(tǒng)只能有一個(gè)仲裁器。(4) AHB譯碼器(decoder)譯碼每次傳輸?shù)牡刂?,提供傳輸中涉及的從設(shè)備的選擇信號(hào)。所有的AHB實(shí)現(xiàn)方案中需要一個(gè)集中的譯碼器。AMBA AHB系統(tǒng)總線可以支持多達(dá)16個(gè)總線主設(shè)備和任意多個(gè)總線從設(shè)備。典型的AHB系統(tǒng)中,常見(jiàn)的主設(shè)備有處理器、DSP, DMA控制器以及測(cè)試接口等。從設(shè)備常見(jiàn)有外部存儲(chǔ)器接口、APB橋以及內(nèi)部存儲(chǔ)器等外圍設(shè)備。 AHB總線系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)AHB系統(tǒng)總線協(xié)議采用的是中央多路選擇器互連方案,其互連結(jié)構(gòu)如圖22表格 9 圖22 AHB總線互連結(jié)構(gòu)所示。所有總線主設(shè)備發(fā)出它們想要執(zhí)行傳輸?shù)牡刂泛涂刂菩盘?hào),然后仲裁器決定把哪個(gè)主設(shè)備的地址和控制信號(hào)發(fā)送到所有從設(shè)備,中央地址譯碼器譯碼地址信息產(chǎn)生相應(yīng)的從設(shè)備選擇信號(hào),同時(shí)控制從設(shè)備到主設(shè)備多路選擇器把被尋址從設(shè)備的讀數(shù)據(jù)和響應(yīng)信號(hào)發(fā)送到所有主設(shè)備。 AHB信號(hào)描述 AHB全局信號(hào)HRESETn系統(tǒng)總線復(fù)位信號(hào),用于復(fù)位系統(tǒng)和總線,低電平有效。HCLK系統(tǒng)總線時(shí)鐘。表格 10 表21 AHB全局信號(hào) AHB仲裁信號(hào)HBUSREQx總線請(qǐng)求信號(hào),總線主設(shè)備x發(fā)出該信號(hào)向總線仲裁器請(qǐng)求總線。HLOCKx鎖定傳輸信號(hào),當(dāng)該信號(hào)有效,表明主設(shè)備請(qǐng)求對(duì)總線進(jìn)行鎖定訪問(wèn),此時(shí)其它主設(shè)備只有等到該信號(hào)無(wú)效時(shí)才能被授予總線。HGRANTx總線允許信號(hào),當(dāng)該信號(hào)有效,表明總
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