【數字IC驗證快速入門】26、SystemVerilog項目實踐之AHB-SRAMC（6）（APB協議基本要點）

導讀：作者有幸在中國電子信息領域的排頭兵院校“電子科技大學”攻讀研究生期間，接觸到前沿的數字IC驗證知識，旁聽到諸如華為海思、清華紫光、聯發科技等業界頂尖集成電路相關企業面授課程，對數字IC驗證有了一些知識積累和學習心得。為幫助想入門前端IC驗證的朋友，思忱一二後，特開此專欄，以期花最短的時間，走最少的彎路，學最多的IC驗證技術知識。

一、內容概述

• APB信號介紹
• APB傳輸時序
• AHB與APB的區別與時序轉換
• 不同IP之間的互聯

二、APB 總線概述

2.1、APB與AHB對比

AHB主要用在高速高性能的外設中，而APB則主要用來掛載低速外設。

在APB上掛載的外設大都是Slave，沒有Master，即被動接收數據的外設。

理解好了AHB總線之後，學習APB自然不在話下。好了，廢話不多說，速速進入正文。

2.2、APB信號介紹

信號名稱	信號描述
PCLK	APB總線時鐘
PRESETn	APB複比特
PADDR[31:0]	APB地址總線
PSELx	APB Slave選擇信號
PENABLE	APB 使能信號
PWRITE	APB總線傳輸方向
PRDATA	APB讀數據總線
PWDATA	APB寫數據總線

注：APB信號可結合AHB信號理解記憶。

2.3、APB信號釋義

• PADDR[31:0]
  • 地址總線，由設備總線的bridge單元驅動
• PSELx
  • 從譯碼器來的信號，到某一個總線從設備x
• PENABLE
  • 用於在設備總線上把所有訪問按時間階段進行
• PWRITE
  • 高電平：寫
  • 低電平：讀
• PRDATA和PWDATA
  • 最多32比特寬

2.4、APB Slave 地址譯碼

• AHB-APB Bridge 我們可以將其理解成AHB Slave
• 上圖中黑色部分是Default Slave
• 地址譯碼是一級一級的

2.5、APB 互聯示意圖

• Bridge 作用是 AHB 到 APB 的時序轉換

2.6、APB 時序（重要）

2.6.1、寫傳輸

• APB 相對 AHB 來講沒有流水，每個命令固定至少 2 個時鐘周期完成！

  • APB分為兩個階段，第一個階段是 SETUP 階段，只有一個時鐘周期。此時 PSEL 信號為高， PENABLE 信號為低。可類比 AHB 中的地址傳輸階段！
  • 第二個階段是 ENBALE 階段。此時 PSEL 信號為高，PENABLE 信號為高。讀/寫數據信號有效，可類比 AHB 中的數據傳輸階段！

• 上述時序僅僅是AMBA 1.0/2.0的時序，固定只有兩拍。昇級到AMBA 3.0後可以利用HREADY擴展 ENABLE 階段，而SETUP 還是一個時鐘周期。

2.6.2、讀傳輸

• 讀跟寫的最大差异在於 PWRITE 信號，此時該信號為低。
• 上述時序僅僅是AMBA 1.0/2.0的時序，固定只有兩拍。昇級到AMBA 3.0後可以利用HREADY擴展 ENABLE 階段，而SETUP 還是一個時鐘周期。

2.7、APB Bridge

• AHB 是流水的，對於Bridge來講，主要作用是將流水打斷，即把AHB的時序轉成APB，如果AHB是流水的話，就會通過這個Bridge來打斷！
  • 主要通過HREADY信號來將流水打成兩拍。
• APB Bridge 還有個功能是用來做一個二級譯碼

2.8、APB Bridge FSM（狀態機）

2.9、APB Slave 框圖（接口信號，需要會畫）

• Control 信號較AHB要少很多哦！
• ABMA 3.0 支持 PReady 信號哦~！

2.10、APB 到 AHB 的時序轉換 - 讀

• 上圖是 AHB 讀取 APB Slave 的時序操作，可以看到通過HReady信號將流水操作進行了打斷
  • T1-T2之間HREADY為高，通過HADDR傳送地址信號，通過HWRITE為低，傳送讀控制信號。
  • T2-T3之間HREADY為低，打斷AHB流水的讀操作。同時，APB的PSEL為高，PENABLE為低，APB進入 SETUP 階段，讀取地址和讀控制信號。
  • T3-T4之間，APB的PSEL為高，PENABLE為高，APB進入 ENABLE 階段，通過PRDATA讀取APB Slave的數據。同時HREADY為高，將讀取到的APB Slave數據，返回到HRDATA。
  • 至此一個讀操作完成。
• PRDATA 是可以直接送給 HRDATA （在同一拍），如果想要HRDATA打一拍的話，可以在APBENABLE階段也將HREADY拉低，這樣HRDATA就會晚於PRADTA一拍了。

三、不同 IP 之間的互聯

3.1、通信方式

• CPU （Master） < – > IP （Slave）
• IP（Master） < – > IP （Slave）

3.2、Memory Mapped IO

• 每一個從設備都占用系統中的一段地址空間
• 所有的從設備都是可尋址的
• 寄存器/存儲器都是內存映射方式訪問
• CPU/IP 讀寫其他IP的數據類似於讀寫存儲器

3.3、IP 間的通信互聯

• 主設備被 arbiter grant 之後，可以訪問總線上的所有從設備

3.4、 一個IP可以可以同時擁有主設備接口和從設備接口

• Master 去外讀寫數據
• Slave 作為寄存器配置

3.5、CPU 與 IP 之間的通信

• CPU總是作為主設備
• IP總是作為從設備
• IP可以發出一個中斷請求
  • 只有 Slave 接口的IP，要想主動通知CPU就可以通過中斷的方式
  • 中斷裏面的信息不能太多
• CPU進入中斷模式，由interrupt service routine（ISR）來處理中斷

四、AMBA Review

• AMBA 簡介
  • AMBA2.0：AHB、ASB、APB

4.1、AHB

• AHB的組成部分

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

• AHB 信號

  • HCLK、HRESETn、HADDR、HTRANS、HWRITE、HSIZE、HBURST、HWDATA、HSELx、HRDATA、HREADY、HRESP

• AHB 傳輸的兩個階段

  • 地址周期、數據周期

• 當前傳輸的狀態 HTRANS

  • IDLE、BUST、NOSEQ、SEQ

• 猝發傳輸類型HBURST（了解）

  • SINGLE、INCR（如何開始一次新的INCR傳輸？）
  • Burst 傳輸不可跨越1K邊界

• HSEL：由AHB Decoder通過地址映射給出

• AHB Slave 響應信號

  • HREADY 傳輸完成、HRESP傳輸響應（OK、ERROR、RETRY）
  • AHB Slave短時間無法響應（HREADY）？長時間無法響應（HRESP）【實際使用無法界定什麼叫短時間，什麼叫長時間，故用的不多！】

• 32比特大小端數據總線的有效字節

• AHB仲裁信號（了解）

  • HBUSREQ、HGRANT、HMASTER
  • 主設備x可控制總線的條件

• AHB Master、AHB Slave、AHB Arbiter、AHB Decoder的接口信號

• AHB-Lite

4.2、APB

• APB的組成部分

  • AHB2APB Bridge、APB Slave

• APB 信號

  • PCLK、PRESETn、PADDR、PSEL、PENABLE、PWRITE、PRDATA、PWDATA

• APB Slave 的地址映射

• APB 傳輸（AMBA 1.0/2.0）

  • Always two cycle transfer：Setup cycle、Enable Cycle
  • No wait cycle and response signal（AMBA 3.0是有的）

• APB Bridge 和 APB Slave的接口信號

五、總結

至此 AMBA 協議中的APB總線理論知識便介紹完了，APB較AHB最大特點就是沒有流水操作，且APB在AMBA 2.0中，命令的執行固定兩個時鐘周期。通過本文的介紹我們也不難發現，APB和AHB之間很多信號都類似，且APB較AHB少了許多控制信號，所以只要理解了AHB，APB自然不在話下。後面我們將通過AHB-SRAMC實戰項目，繼續深入理解AHB和APB。

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後記：因本人水平有限，不足之處在所難免，敬請各比特讀者朋友批評指正。關於博主的《數字IC驗證快速入門》系列文章，目前在CSDN連載更新中，歡迎訂閱！