【数字IC验证快速入门】22、SystemVerilog项目实践之AHB-SRAMC（2）（AMBA总线介绍）

导读：作者有幸在中国电子信息领域的排头兵院校“电子科技大学”攻读研究生期间，接触到前沿的数字IC验证知识，旁听到诸如华为海思、清华紫光、联发科技等业界顶尖集成电路相关企业面授课程，对数字IC验证有了一些知识积累和学习心得。为帮助想入门前端IC验证的朋友，思忱一二后，特开此专栏，以期花最短的时间，走最少的弯路，学最多的IC验证技术知识。

一、内容概述

• AMBA 总线概述
• AHB（重中之重）
• APB
• 不同IP之间的互连

注：AMBA总线除了APB和AHB之外，还有ASB，不过用的少，所以这里不再作为重点！另外，我们AHB-SRAMC项目只用到的是AHB Slave侧的，所以倒不是说非得把AHB搞的很精通才能做这个项目。其实作为slave来讲，用到的仅仅是AHB协议的简化版本：AHB-Lite。

二、AMBA 总线概述

2.1、系统总线简介

• 系统芯片中各个模块（IP）之间需要有接口来连接
• 总线作为子系统之间共享的通信链路
  • 共享的话，每个slave都会划分地址空间
  • 直连的话（点点通信），不需要划分地址空间，但是成本高且不易扩展
• 优点
  • 低成本
  • 方便易用（可扩展强）
• 缺点
  • 会造成性能瓶颈（涉及命令分配、排队和冲突问题）

2.2、AMBA 2.0

• Advanced Microcontroller Bus Architecture

  • 片上总线的标准

• 定义了三种总线

  • AHB（Advanced High-performance Bus）
    • 实际中用的更多的是变种的：AHB-Lite
  • ASB（Advanced System Bus）【了解即可】
  • APB（Advanced Peripheral Bus）
    • 用在Slave中

• AMBA2.0升级到AMBA3.0增加了AXI协议，主要应用场景是复杂高速系统。

2.3、AMBA 发展历史

• AMBA 1.0
  • ASB 和 APB
• AMBA 2.0
  • AHB，ASB 和 APB
• AMBA 3.0
  • AMBA Advanced eXtensible Interface（AXI）
• AMBA 4.0
  • AXI Coherency Extensions（ACE）【多核一致性】

2.4、一个典型的AMBA 2.0系统

注：我们要验证的是 AHB-SRAMC 模块，即要将AHB接口的数据转换为SRAMC的数据然后写进去，所以学习AHB是必须的！

• 处理器和其他主设备/从设备都是可以替换的

2.5、AMBA2.0 AHB

• 高速总线（针对APB）、高性能
• 2级流水线操作
• 可支持多个总线主设备（数量没有限制）
• 支持burst传输（真正Burst传输发扬光大的是在AMBA3.0的AXI）
  • AMBA 13’00
• 总线带宽：8/16/32/64/128 bits（32 bits 用的最多）
• 上升沿触发操作

注：AHB相对于APB提升的话，主要在于两级流水！

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• Q：什么是Burst传输？

A：总线的命令无外乎是地址（ADDR）和数据（DATA）。在总线传输的时候，single时序规定的比较死，需要两拍才能完成地址和时序传输，如下图所示。

通常总线带宽是32bits，即可以读取4个地址的数据。对于传统single传输，需要在第一个地址周期发送ADDR = 0x50，便可以在第二个数据周期读取地址0x50/0x51/0x52/0x53组成的32位数据。再想读接下来的4个地址数据，需要再在第一个地址周期发送ADDR = 0x54，便可以在第二个数据周期读取地址0x54/0x55/0x56/0x57组成的32位数据。这样读取下来，一共花费了4拍。

而Burst传输要想读取上述2个32位数据，需要在第一个地址周期发送ADDR = 0x50和INC2（表示需要从0x50这个地址连着读2个32位数据），那么可以在第二个数据周期读取一个32位数据，在第三个数据周期再读取一个32为数据，一共花费了3拍。

同理，多读N个数据，那就发送地址之外再发送INCN即可，一共需要N+1拍。

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• Q：2级流水线操作是什么意思？

A：流水操作直接体现就是在进行地址1发送的时候，可以读取地址0对应的数据，如下图所示。

2.6、AMBA2.0 APB

• 低速总线、低功耗
• 接口简单
• 在Bridge中锁存地址信号和控制信号
• 适用于多种外设（因为外设就是按照人家的规范来做的接口，肯定能挂上去了）
• 上升沿触发

2.7、AHB 组成部分

注：以下组成部门并不是所有SoC都需要。

• AHB 主设备（master）
  • 发起一次读/写操作
  • 某一时刻只允许一个主设备使用总线
  • CPU、DMA、DSP…
• AHB 从设备（slave）
  • 响应一次读/写操作
  • 通过地址映射来选择使用哪一个从设备
  • 外部存储器控制器EMI、APB bridge
• AHB 仲裁器（arbiter）
  • 允许某一个主设备控制总线
  • 在AMBA协议中没有定义仲裁算法
    • master之间是按照公平轮询的RR调度原则，还是按照绝对优先级的SP调度原则？
    • 在实际开发中，我们使用RR较多
• AHB 译码器（decoder）
  • 通过地址译码来决定选择哪一个从设备

2.8、APB 组成部分

• AHB2APB Bridge

  • 可以锁存所有的地址、数据和控制（读写控制）信号
  • 进行二级译码来产生APB从设备选择信号

• APB总线上的所有其他模块都是APB从设备（没有主设备）

2.9、AMBA协议其他有关问题

• 与工艺无关（协议实现出来的是逻辑，即RTL代码）
• 没有定义电气特性（定义的仅仅是逻辑的时序关系，且芯片内部使用，与电压无关）
• 仅在时钟周期级定义时序
  • 提供时序（这里指物理实现时序，可不用过多关注）参数依赖于所采用的的工艺和工作频率
  • 举例：不是说APB只能跑100M，且协议也没有规定APB必须为100M，需要根据选的工艺和自己要实现的性能要求确定运行的频率。如选16nm可以跑到300M，选65nm可以跑到100M！【总结：跟实际应用有关，与协议规定无关。】

2.10、例：DMA

注：下面的示例代码是伪代码。