SoC設計入門 - APB協(xié)議

上一篇主要講述了soc的骨架，crossbar互聯(lián)網(wǎng)路?，F(xiàn)在來講soc的神經(jīng)末梢，它們依附在骨架上，受和調(diào)控制，并將外部信息分享給核心以及其他成員。它是什么呢?

它就是我們所說的標準總線。soc上所有模塊想要被核心控制，都需要掛載到crossbar上，以便cpu下配置，以及cpu和dma進行數(shù)據(jù)傳輸。我們以最簡單的APB總線入手，來進一步了解標準總線的工作原理。

1、APB協(xié)議簡介

APB(Advanced Peripheral Bus) 作為高級外設總線是AMBA協(xié)議之一，也是最基本的總線協(xié)議。按照ARM官方定義，APB是一種低成本的接口協(xié)議，可以實現(xiàn)低功耗以及精簡的接口設計，降低接口設計的復雜度。

APB協(xié)議不支持流水線設計，它主要應用在低帶寬設計需求的接口中，高性能帶寬需求可以使用AXI總線。APB協(xié)議的實現(xiàn)與時鐘沿對齊，以簡化外設接口的設計。每次傳輸至少需要消耗兩個時鐘周期。

在SOC設計中，AHB一般作為IP的配置接口，包括低速IP如I2C,UART,I2S等，也包括DDR,PCIe,Ethernet等高速IP，可以方便的實現(xiàn)CPU對外設IP的寄存器配置。系統(tǒng)中一般會實現(xiàn)一個AXI2APB或者AHB2APB的轉(zhuǎn)換橋?qū)PB口掛載在系統(tǒng)上。

APB的傳輸信號只與時鐘上升沿有關(guān)，故其具備以下優(yōu)點：

·易于實現(xiàn)高頻操作;

·性能與時鐘占空比無關(guān);

·靜態(tài)時序分析簡單;

·易于與基于上升沿的寄存器訪問;

·易于集成到基于周期的仿真器中。

1.1、APB的發(fā)展史

協(xié)議已經(jīng)從APB2.0發(fā)展到現(xiàn)在的APB4.0。具體區(qū)別如下：

·APB2.0 ：該版本協(xié)議定義基本的接口信號(具體可見端口信號章節(jié)，刪除APB3.0有的接口就行);

·APB3.0：增加信號PREADY用以指示slave準備好數(shù)據(jù)，增加信號PSLAVERR代表傳輸錯誤;

·APB4.0：增加信號PROT保護類型，增加信號PSTRB來支持byte級的訪問;

2.0和3.0的區(qū)別是什么?

APB2.0和APB3.0的差別：APB3.0提供了一個低功耗的接口，并降低了接口的復雜性。且APB3比APB2增加了兩個信號：

PREADY：來擴展APB傳輸，主要是增加延時;

錯誤信號PSLVERR：來指示傳輸失敗。

3.0和4.0的區(qū)別是什么?

·增加了PROT和PRSTB兩個信號。

·PPROT一種保護信號，用于支持APB上的非安全交易和安全交易。

·PSTRB一個寫選通信號，用于在寫數(shù)據(jù)總線上進行sparse data transfer(稀疏數(shù)據(jù)傳輸)。APB4用的比較少。

APB協(xié)議向下兼容。

目前soc上最常用的是APB2.0和APB3.0，下面我們主要介紹這兩個版本。

2、APB 2.0

2.1、APB2.0信號列表

這里需要區(qū)分Master和Slave的區(qū)別，Master是主機，Slave是從機，一個總機下可以有n個從機，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是master來控制的，slave來回應。這里需要用到APB 1TO多bridge，APB bif不需要仲裁，只需要對地址的decode，如果地址處于某個slave的域內(nèi)，就拉高它的PSELn等控制信號，n為slave號。

APB2.0信號

2.2 、狀態(tài)機

通過PSELx和PENABLE信號的變化，使APB總線處于下面3個狀態(tài)：

狀態(tài)機

·IDLE：PSELx和PENABLE都為0，表明master和slave之間無通信請求，因此處在該狀態(tài)。

·SETUP：當master和某一個slave之間準備進行數(shù)據(jù)傳輸時，會進入該狀態(tài)，這時PSELx=1，PENABLE=0。意思是master選中某一個slave告訴slave我準備要和你交換數(shù)據(jù)啦，請你準備好!這個狀態(tài)會保持一個時鐘周期然后進入ENABLE狀態(tài)。這個狀態(tài)可以直接給wdata。

·ENABLE：這個時候PENABLE拉高，master和某一slave進行數(shù)據(jù)傳輸，持續(xù)一個時鐘周期。這個狀態(tài)開始等待rdata。

在自己寫master時，就按照這個狀態(tài)輸出控制信號就可以了。

2.3 、寫操作

下面就是寫傳輸?shù)臅r序圖：

寫時序

·T1~T2：這個階段master和某一slave無交互數(shù)據(jù)，因此處于IDLE狀態(tài)。

·T2：在該時刻，master準備將數(shù)據(jù)寫入某一slave中，因此進入SETUP狀態(tài)，同時把某一slave的PSEL信號拉高，PWRITE信號拉高，這表示master告訴某一slave：我即將要和你進行數(shù)據(jù)傳輸，是我把數(shù)據(jù)寫到你里面，請你準備好!同時改變PADDR和PWDATA信號，這是為了滿足下個上升沿的時序。

·T2~T3：保持一個時鐘周期。

·T3：此時將PENABLE信號拉高，真正將wdata寫到addr。

·T3~T4：保持一個時鐘周期。

·T4：數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，再次回到初始狀態(tài)。

2.4、讀操作

讀時序

·T1~T2：這個階段master和某一slave無交互，因此處于IDLE狀態(tài)

·T2：在該時刻，master準備從某一slave中讀取數(shù)據(jù)，因此進入SETUP狀態(tài)，同時把某一slave的PSEL信號拉高，PWRITE信號拉低，這表示master告訴某一slave：我即將要和你進行數(shù)據(jù)傳輸，是我要讀你的數(shù)據(jù)，請你準備好!同時改變PADDR，這是為了滿足下個T4采樣沿的時序。

·T2~T3：保持一個時鐘周期。

·T3：此時將PENABLE信號拉高，表示master正式把某一slave之中的數(shù)據(jù)讀出來，注意，數(shù)據(jù)在ENABLE周期末尾的時鐘上升沿被采樣，也就是T4時刻。

·T3~T4：保持一個時鐘周期。

·T4：數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，再次回到初始狀態(tài)。

3、APB 3.0

APB 3.0協(xié)議是在APB 2.0協(xié)議的基礎上新加了2個信號，PREADY和PSLVERR組成的;PREADY信號是slave設備用來表示slave是否準備好的信號，PSLVERR是表示slave接收的數(shù)據(jù)是否有誤。

信號表

APB3.0信號

3.1、寫操作

寫操作，無等待

寫無等待時序

該種情況和APB2.0沒有任何區(qū)別，當PENABLE拉高后，會檢查PREADY是否拉高，如果拉高表示slave當前準備好了數(shù)據(jù)傳輸，則在上升沿3將數(shù)據(jù)寫給salve。

寫操作，有等待

寫有等待時序

如果PENABLE拉高后，發(fā)現(xiàn)PREADY沒有拉高，則表示slave還沒有準備好數(shù)據(jù)傳輸，這時所有信號保持不變直到PREADY拉高，在上升沿5將數(shù)據(jù)寫入。

3.2、讀操作

讀操作，無等待

讀無等待時序

該種情況和APB2.0沒有區(qū)別，與寫操作無等待類似，不再細說

讀操作，有等待

讀有等待時序

當PENABLE拉高后，發(fā)現(xiàn)PREADY信號還沒有拉高，表示slave還沒有準備好，這時會等待直到PREADY信號拉高，在上升沿6時刻采樣數(shù)據(jù)

3.3、錯誤反饋

PSLVERR來指示APB傳輸上的錯誤情況。讀取和寫入事務都可能發(fā)生錯誤。當PSEL，PENABLE和PREADY均為高電平時，僅在APB傳輸?shù)淖詈笠粋€周期內(nèi)才認為PSLVERR有效，其他時間不考慮PSLVERR。

寫操作

slverr寫時序

在前面的有等待的寫操作的基礎上，添加PSLVERR，也就是在T4時刻采樣，發(fā)現(xiàn)PSEL，PENABLE和PREADY均為高電平的前提下，PSLVERR為高，說明這次數(shù)據(jù)傳輸有錯誤。軟件決定后續(xù)行為。

讀操作

讀slverr時序

在前面的有等待的讀操作的基礎上，添加PSLVERR，也就是在T5時刻采樣，發(fā)現(xiàn)PSEL，PENABLE和PREADY均為高電平的前提下，PSLVERR為高，說明這次數(shù)據(jù)傳輸有錯誤。軟件決定后續(xù)行為。

4、APB應用場景。

APB因為其面積小，接口少，經(jīng)常用在外設上，為什么呢?

因為soc上外設很多，包括spi,i2c,uart,timer,wdt等，他們對時鐘要求不高，如果使用APB接口，可以省面積，降低芯片的復雜度。這也是為什么外設優(yōu)先的標準接口是APB。

這里主要講一些APB在SOC上的特殊用法。

·某些IP預留用戶控制信號，我們需要用寄存器控制此信號，一般soc每個子系統(tǒng)都會有一個模塊專門做這個事情，這是就可以選擇APB接口用來配置這些寄存器。

·某些IP，例如SRIO，serdes預留用戶配置接口，synosys叫做cr配置口，用于配置或者debug。這時候我們可以自己寫一個APB2CR的橋。

·核間通訊模塊。通過寫寄存器產(chǎn)生中斷輸出，這時候可以使用APB接口，因為中斷發(fā)生次數(shù)少，無性能要求，可以使用APB，簡單。

·APB轉(zhuǎn)sram接口或者APB轉(zhuǎn)fifo。某些模塊對外接口是sram，需要我們使用轉(zhuǎn)接橋，根據(jù)性能我們選擇使用合適的AMBA總線;自研模塊數(shù)據(jù)緩存時,涉及到異步處理,這時候可能用到APB轉(zhuǎn)FIFO的設計。

但是他也有局限,帶寬低且不支持pipeline,所以module有這些要求不要使用APB。

這次花時間也整理了目錄,方便大家觀看,APB真的應用很廣泛,大家不管是做設計還是驗證,都會經(jīng)常和它打交道,多多了解沒啥壞處。