【数字IC验证快速入门】24、SystemVerilog项目实践之AHB-SRAMC（4）（AHB继续深入）

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、BURST 传输（了解）

• AHB Burst 操作
  • 4 beat（4 * 4Byte = 16Byte）、8 beat、16 beat、单个字节传输、未定义长度的传输
  • 支持 incrementing （递增 0 -> 4 -> 8 -> C -> 10 -> 14 -> …）和 wrapping （0 -> 4 -> 8 -> C -> 0 -> 4 -> … 回环传输）两种burst传输
• Incrementing burst
  • 地址是上一次的传输地址加1 beat（4 Byte）
• Wrapping burst
  • 例：4 beat的wrapping burst字传输（4 byte）
  • 0x34 -> 0x38 -> 0x3C -> 0x30（以 0 4 8 C 为边界）
  • 应用场景：Cache填充

1.1、地址计算举例

• 根据HSIZE 和 HBURST来计算地址
• 例：起始地址是0x48，HSIZE=010（32bits）

• Slave侧一般不会关注是INCR还是什么…，因为master也会把地址发过来，我们针对每个命令具体操作即可！
• 如果是INCR，会根据HSZIE决定递增多少！

• 在BURST里面，第一个传输类型是NOSEQ，剩余的都是SEQ

1.2、INCR Burst

1.3、WRAP8 Burst

• 与INCR8唯一区别是在边界需要WRAP回来！
  • WRAP4：0 -> 4 -> 8 -> C 回环
  • WRAP8：0 -> 4 -> 8 -> C -> 10 -> 14 -> 18 -> 1C 回环

1.4、INCR4 Burst

1.5、WRAP4 Burst

1.6、未定义长度的Burst传输

• 注意HSIZE为Halfword，即2Byte那么HADDR加的就是2；如果HSIZE为Word，即4Byte，baneHADDR加的就是4.

1.7、Example LDM AHB Activity

• 功能：把首地址0x34的数据load到r5-r10这6个寄存器中
• 因为没有INCR6，所以先INCR4，再两次SINGLE
• 当然除了上面的方式，还可以6次SINGLE；还可以先2次SINGLE，在INCR4…

1.8、注意

• Burst 传输不能穿越1K边界（可以防止占用总线过长，导致其他组件挂死）
  • 一个从设备最小的地址间隙是1KB
  • NONSEQ -> SEQ -> 1KB Boundary -> NONSEQ -> SEQ
• 主设备不能视图开始一个可能穿越1K边界的固定长度的incrementing burst传输

1.9、INCR Burst over 1k boundary

注：跨1K边界跟操作系统的page大小有关系！

Q：0x3FC到0x400为什么是1K边界？

• A：首先明确如何判断1K边界，如果地址 / 1k结果为整数，那么就是1K整数倍。addr[31:0] / 2^10相当于addr[31:0] 右移10bit，s商为addr[31:10]，小数部分为add[9:0]，即addr[9:0] = 10’h000，那么就是1K对齐！
• 0x400对应二进制为10'b00_0000_0000，也就是说它是1K边界！
• 0x000-0x3FF为1K空间；0x400-0x7FF为1K空间；

二、地址译码

• HSELx：选择从设备（选中谁对应的HSEL = 1）
  • 指出由主设备所选择的从设备
• 由地址译码器来提供选择信号
• 一个从设备应该至少占用1KB的存储空间
• 需要一个额外的缺省从设备来映射其他的存储地址

• Decoder 译码器的实现对应到RTL代码 if..else 语句

2.1、从设备响应

• 所访问的从设备必须响应这次传输
  • AHB是个握手的传输机制，如果从设备不返回hready的话，master会一直等，下一次命令就无法传输
• 从设备可能返回的响应：
  • 完成这次传输（OKAY）
  • 插入等待状态（HREADY信号）（IDLE）
  • 发出错误信号表示这次传输失败（RETRY）
  • 延迟传输，使得总线可用于其他传输（SPLIT）
• HREADY：transfer done
• HRESP[1:0]：transfer response
  • 00：OKAY
    • 成功
  • 01：ERROR
    • 失败
  • 10：RETRY
    • 传输未完成
    • 请求主设备重新开始一个传输
  • 11：SPLIT
    • 传输未完成
    • 请求主设备分离一次传输（让出总线仲裁权，让其他master使用！）

2.2、两周期的响应

• HRESP[1:0]

  • OKAY：单周期响应
  • ERROR：两周期响应
  • RETRY：两周期响应
  • SPLIT：两周期响应

• 总线的流水特性需要从设备两个周期的响应（工程上有点不太实用）。可以使得主设备有足够的时间处理下一次传输

2.3、Slave Response

• 假如有error了，就可以通过HRESP来返回。但实际上，假如有ERROR了是通过内部寄存器上报的，不会通过总线上报！

• 这个实际中也没怎么用，ready握手机制就已经够用了，ready一直未低，master就会去等。设计协议的时候，为了兼容性强，设计了可以立即返回BUSY的这种功能，这样master就不用等了，可以处理其他命令了！但是实际中等待时间也不长，故用ready还是比较多的！

2.4、Retry 响应

• Retry需要两个时钟周期

2.5、Rerty和SPLIT的不同

• 主要区别在于仲裁的方式
  • RETRY ：arbiter会继续使用通常的优先级
  • SPLIT：arbiter会调整优先级方案以便其他请求总线的主设备可以访问总线（释放总线让其他master得以访问）
• 总线主设备应该用同样的方式处理RETRY响应和SPLIT响应。

三、数据总线

• 不是三态总线，读总写和写总线是分开的
• Endian（大小端）
  • 在AMBA协议没有定义，由Master定义
  • 主设备和从设备应该采用同样的大小端
  • 不支持动态大小端
• 对于IP设计，只有应用面比较广泛的应用程序才支持两种Endian

小端：A3-[bit31-bit24]；A2-[bit23-bit16]；A1-[bit15-bit8]；A0-[bit7-bit0]
大端：A0-[bit31-bit24]；A1-[bit23-bit16]；A2-[bit15-bit8]；A3-[bit7-bit0]

3.1、32 bit 小端数据总线的有效字节

3.2、32 bit 大端数据总线的有效字节

作为AHB来讲，作为通道是看不到大小端的！

四、主设备

4.1、AHB 仲裁信号（了解）

注：总线本身没有规定仲裁算法，常用的仲裁算法有：RR（公平轮询）/SP（绝对优先级）/WRR（带权重RR）

• 信号中的x代表不同的master，2个master，x就是0-1
• HBUSREQx：Master发起总线申请
• HLOCKx：Master锁定总线传输
• HGRANTx：Aribiter回复给Master的请求结果
• HMASTER[3:0]，上述最大值为16，但是并不是说AHB只能有16个master，可以通过修改位宽来增加master！
• HMASTLOCK：Master申请Lock之后，Arbiter的反馈
• HSPLITx[15:0]：Slave发了Split之后，根据Split去调整Master之间的优先级，跟调度算法有关

4.2、仲裁信号解释（了解）

• HBUSERQ（相比较用的多）
  • 总线请求
• HLOCKx
  • 高电平：主设备请求锁定总线
• HGRANTx（相比较用的多）
  • 指出主设备x可访问总线
  • 主设备x控制总线：HGRANTx = 1 且 HREADY = 1
  • master1可访问返回001；master2可访问返回010…（注意one-hot编码方式）
• HMASTER[3:0]
  • 指出哪个主设备正在进行传输
  • master3选中返回3，master5选中返回5…（二进制编码）
• HMASTLOCK
  • 指出主设备正在进行一次锁定传输
• HSPLITx[15:0]
  • 从设备用这个信号告诉仲裁器哪个主设备允许重新尝试一次split传输
  • 每一位对应一个主设备

注：仲裁面试的概率比BURST还要低。

现在用AHB做系统大总线设计的越来越少，做仲裁也是一般买IP来做。

4.3、仲裁举例

• 没有等待状态的grant

• 有等待状态的grant

• Burst传输之后移交总线

4.4、总线主设备Grant信号

4.5、几点说明（了解即可）

• 对于固定长度的burst传输，不必持续请求总线
• 对于未定义长度的burst传输，主设备应该持续送出HBUSREQ信号，指导开始最后一次传输
• 如果没有主设备请求总线，则给缺省主设备（dummy master）grant信号，且HTRANS=IDLE
• 建议主设备在锁定总线传输结束之后插入IDLE传输，以重新仲裁优先级

4.6、SPLIT传输过程

• 1、由主设备开始传输（M -> S）
• 2、如果从设备需要多个周期才能获取数据，则从设备给出一个SPLIT传输响应，从设备记录主设备号：HMASTER。接着仲裁器改变主设备的优先级
• 3、仲裁器grant其他的主设备，总线主设备移交
• 4、当从设备准备结束本次传输，将设置给仲裁器的HSPLITx信号的相应位
• 5、仲裁器恢复优先级
• 7、仲裁器grant主设备，这样主设备可以重新开始传输
• 8、结束

4.7、防止DeadLock（死锁）

• 当多个不同的主设备试图访问同一个从设备，这个从设备发出了SPLIT和RETRY信号，这时很可能发生deadlock
• 从设备最多可以接收系统中16个主设备的请求，只需要记录主设备好（忽略地址和控制信号）
  • 实际可以自己做扩展
• 给出RETRY响应的从设备在某一时刻只能由一个主设备访问。
  • 可以使用一些硬件保护机制，比如ERROR

注：SPLIT基本很少用！

五、AHB 设备接口

• AHB Master
• AHB Slave
• AHB Aribiter
• AHB Decoder

5.1、AHB 主设备接口（要会画）

输入

• 来自Arbiter grant信号HGRANTx，表示获得总线使用权。Master有多个，M0那么HGRANTx为0；M1那么HGRANTx为1。
• Slave返回的HREADY，不管读或者写，为高表示当前命令处理完了，可以发送下一个命令了。同时还会伴随一个HRESP回来，如果是00表示OK，01表示ERROR，10表示RETRY，11表示SPLIT（给仲裁器用的，master本身不会关注）
• 接着是时钟信号和复位信号，复位信号中的n表示negative，表示低电平有效！
• 如果是读命令的话，Slave会从HRDATA返回读数据
• Master会返回HBUSREQx和HLOCKx两个信号给Arbiter
• 对于Slave主要会发送一个地址HADDR，地址会伴随着其他的控制信号。比较重要的控制信号就是HTRANS，00表示IDLE，01表示BUSY，10表示NOSEQ，11表示SEQ。SEQ和NOSEQ对于Slave来讲，在实际使用没太大区别。只是协议上规定了如果发的是一个BURST操作，那么第一个命令需要用NOSEQ来表示，其余命令用SEQ来表示；如果发的是SEQ，每个命令跟命令之间的地址没什么关系，那你就都是NOSEQ表示！
• HWRITE信号表示读还是写
• HSIZE信号指总线32位中，多少是有效的。000 8bits；001 16bits；010 32bits
• HBURST信号指发的命令前后地址之间有没有关系，000 single：前后地址之间没有关系； 001 INCR：前后地址根据HSIZE递增（1/2/4 byte，没有3 byte）。在AHB上用的不多，但是在AXI上用多，因为AXI上引入了一种叫outstanding的机制。AHB只是两级流水，HBURST没起到多大作用。对于Slave来讲不关注HBURST信号，一样能根据地址（不管前后地址有无关联）一个个处理命令。
• HPORT信号是做一个保护，data来自什么地方。没啥用不用关注，重点关注：HWRITE、HSIZE、HTRANS这三个信号！

5.2、AHB从设备接口（要会画）

• HSEL是从译码器Decoder来的，因为我们的总线是共享的，所以数据肯定会到每一个Slave，但是每一次只是访问其中一个Slave。因此会通过HADDR做一次译码，根据AHB Slave的地址范围，译码到你的话，会把对应的HSELx拉高。HSELx为高，命令才是访问到我的，同时看看HTRANS是不是有效（NOSEQ 或 SEQ）代表命令是有效的。
• 下面Split-capable是为了实现SPLIT，一般来讲SPLIT容易出现DeadLock，所以一般不去实现，这里仅作为了解即可！而且现在SPLIT的处理也不会等太长时间。

5.3、AHB Arbiter（要会画）

• 上图仅仅以三个Master来示意AHB Aribiter，并不是说只能有3个Master。AHB总线默认可以挂载16个Master，当然我们也可以通过修改位宽达到挂载更多Master的目的！
• AHB的HADDR感觉没啥用，它更多的还是关注HUBUSREQ是哪个Master过来的，然后对应给仲裁输出HGRANT。相当于HBUSREQ和HGRANT相互之间进行握手，完成仲裁的控制。
• HSPLIT信号会让Abriter进行优先级调整

5.4、AHB Decoder（要会画）

• Decoder的作用就是输入HADDR，然后根据Slave的空间划分，进行第一级译码操作。HSELx分别对应一个Slave。
• RTL实现就是if...else或者case

六、Typical Multi-layer example（了解）

• 在一个系统中Master和Slave还可能是多级的
• Slave Mux 是将第二级Slave的地址范围译出来，方面后面选择！
• 并行访问带宽会大些

七、AHB-Lite（业界目前用的比较多的）

AHB 通过前面的学习，我们知道它是一个多Master多Slave的协议，但是在实际项目中我们用的更多的是AHB-Lite。它是一款简化的AHB协议只有一个Master，所以与AHB相比少了仲裁的机制。也正因为这个原因，少了许多繁杂的信号，可以帮助我们更好的理解和上手AHB协议。本次的AHB-SRAMC项目也是基于AHB-Lite协议的！

• AHB的Lite体现在没有Aribiter，就是1个Master多个Slave
• Master的信号中：没有HBUSREQ和HGRANT
• Slave的信号中：没有RETRY和SPLIT
• AHB Lite 化繁为简，所以更实用。
• 后面的AHB SRMAC 用的也是AHB-Lite

八、AHB 总结

• 主要组成部分
  • Master、Slave、Aribiter、Decoder（多Slave选择）
• 传输的过程
  • 流水线机制
  • Address Phase 和 Data Phase
• 如何提高性能
  • 流水线
  • 注意：Burst Read/Write 并不能提升性能，因为数据该多少拍还是多少拍，并没减少！
• 仲裁机制
  • 总线控制权的移交（调度）
• Slave短时间内无法响应
  • HREADY信号拉低
• Slave 长时间内无法响应（长时间？短时间？怎么界定？功能鸡肋！）
  • 插入SPLIT/RETRY（到了AHB-Lite 这个被去掉了）
• Master不能进行传输
  • 插入BUSY（不实用）
  • 直接HTRANS最高位置位0，无效之后Slave就不进行接收了！

九、AHB 的应用建议

• Arbiter 的优先级可以配置
• Slave长时间不能响应的话，一般不支持SPLIT响应（它会DeadLock），使用RETRY响应
• 总线上如果只有一个Master的话，可以使用AHB-Lite协议，不用Aribiter
• 设计一个新的IP时，要仔细核对AMBA的Feature和IP所支持的Feature是否匹配

十、实现

• 如果设计中既有主设备端口又有从设备端口（eg：DMA、SD-HOST）
  • 通过主设备（Master）端口读/写数据
  • 通过从设备（Slave）端口配置寄存器等
    • 如处理器（CPU）设置的一些参数（配置寄存器）