【数字IC验证快速入门】26、SystemVerilog项目实践之AHB-SRAMC（6）（APB协议基本要点）

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

• APB信号介绍
• APB传输时序
• AHB与APB的区别与时序转换
• 不同IP之间的互联

二、APB 总线概述

2.1、APB与AHB对比

AHB主要用在高速高性能的外设中，而APB则主要用来挂载低速外设。

在APB上挂载的外设大都是Slave，没有Master，即被动接收数据的外设。

理解好了AHB总线之后，学习APB自然不在话下。好了，废话不多说，速速进入正文。

2.2、APB信号介绍

信号名称	信号描述
PCLK	APB总线时钟
PRESETn	APB复位
PADDR[31:0]	APB地址总线
PSELx	APB Slave选择信号
PENABLE	APB 使能信号
PWRITE	APB总线传输方向
PRDATA	APB读数据总线
PWDATA	APB写数据总线

注：APB信号可结合AHB信号理解记忆。

2.3、APB信号释义

• PADDR[31:0]
  • 地址总线，由设备总线的bridge单元驱动
• PSELx
  • 从译码器来的信号，到某一个总线从设备x
• PENABLE
  • 用于在设备总线上把所有访问按时间阶段进行
• PWRITE
  • 高电平：写
  • 低电平：读
• PRDATA和PWDATA
  • 最多32位宽

2.4、APB Slave 地址译码

• AHB-APB Bridge 我们可以将其理解成AHB Slave
• 上图中黑色部分是Default Slave
• 地址译码是一级一级的

2.5、APB 互联示意图

• Bridge 作用是 AHB 到 APB 的时序转换

2.6、APB 时序（重要）

2.6.1、写传输

• APB 相对 AHB 来讲没有流水，每个命令固定至少 2 个时钟周期完成！

  • APB分为两个阶段，第一个阶段是 SETUP 阶段，只有一个时钟周期。此时 PSEL 信号为高， PENABLE 信号为低。可类比 AHB 中的地址传输阶段！
  • 第二个阶段是 ENBALE 阶段。此时 PSEL 信号为高，PENABLE 信号为高。读/写数据信号有效，可类比 AHB 中的数据传输阶段！

• 上述时序仅仅是AMBA 1.0/2.0的时序，固定只有两拍。升级到AMBA 3.0后可以利用HREADY扩展 ENABLE 阶段，而SETUP 还是一个时钟周期。

2.6.2、读传输

• 读跟写的最大差异在于 PWRITE 信号，此时该信号为低。
• 上述时序仅仅是AMBA 1.0/2.0的时序，固定只有两拍。升级到AMBA 3.0后可以利用HREADY扩展 ENABLE 阶段，而SETUP 还是一个时钟周期。

2.7、APB Bridge

• AHB 是流水的，对于Bridge来讲，主要作用是将流水打断，即把AHB的时序转成APB，如果AHB是流水的话，就会通过这个Bridge来打断！
  • 主要通过HREADY信号来将流水打成两拍。
• APB Bridge 还有个功能是用来做一个二级译码

2.8、APB Bridge FSM（状态机）

2.9、APB Slave 框图（接口信号，需要会画）

• Control 信号较AHB要少很多哦！
• ABMA 3.0 支持 PReady 信号哦~！

2.10、APB 到 AHB 的时序转换 - 读

• 上图是 AHB 读取 APB Slave 的时序操作，可以看到通过HReady信号将流水操作进行了打断
  • T1-T2之间HREADY为高，通过HADDR传送地址信号，通过HWRITE为低，传送读控制信号。
  • T2-T3之间HREADY为低，打断AHB流水的读操作。同时，APB的PSEL为高，PENABLE为低，APB进入 SETUP 阶段，读取地址和读控制信号。
  • T3-T4之间，APB的PSEL为高，PENABLE为高，APB进入 ENABLE 阶段，通过PRDATA读取APB Slave的数据。同时HREADY为高，将读取到的APB Slave数据，返回到HRDATA。
  • 至此一个读操作完成。
• PRDATA 是可以直接送给 HRDATA （在同一拍），如果想要HRDATA打一拍的话，可以在APBENABLE阶段也将HREADY拉低，这样HRDATA就会晚于PRADTA一拍了。

三、不同 IP 之间的互联

3.1、通信方式

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

3.2、Memory Mapped IO

• 每一个从设备都占用系统中的一段地址空间
• 所有的从设备都是可寻址的
• 寄存器/存储器都是内存映射方式访问
• CPU/IP 读写其他IP的数据类似于读写存储器

3.3、IP 间的通信互联

• 主设备被 arbiter grant 之后，可以访问总线上的所有从设备

3.4、 一个IP可以可以同时拥有主设备接口和从设备接口

• Master 去外读写数据
• Slave 作为寄存器配置

3.5、CPU 与 IP 之间的通信

• CPU总是作为主设备
• IP总是作为从设备
• IP可以发出一个中断请求
  • 只有 Slave 接口的IP，要想主动通知CPU就可以通过中断的方式
  • 中断里面的信息不能太多
• CPU进入中断模式，由interrupt service routine（ISR）来处理中断

四、AMBA Review

• AMBA 简介
  • AMBA2.0：AHB、ASB、APB

4.1、AHB

• AHB的组成部分

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

• AHB 信号

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

• AHB 传输的两个阶段

  • 地址周期、数据周期

• 当前传输的状态 HTRANS

  • IDLE、BUST、NOSEQ、SEQ

• 猝发传输类型HBURST（了解）

  • SINGLE、INCR（如何开始一次新的INCR传输？）
  • Burst 传输不可跨越1K边界

• HSEL：由AHB Decoder通过地址映射给出

• AHB Slave 响应信号

  • HREADY 传输完成、HRESP传输响应（OK、ERROR、RETRY）
  • AHB Slave短时间无法响应（HREADY）？长时间无法响应（HRESP）【实际使用无法界定什么叫短时间，什么叫长时间，故用的不多！】

• 32位大小端数据总线的有效字节

• AHB仲裁信号（了解）

  • HBUSREQ、HGRANT、HMASTER
  • 主设备x可控制总线的条件

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

• AHB-Lite

4.2、APB

• APB的组成部分

  • AHB2APB Bridge、APB Slave

• APB 信号

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

• APB Slave 的地址映射

• APB 传输（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的接口信号

五、总结

至此 AMBA 协议中的APB总线理论知识便介绍完了，APB较AHB最大特点就是没有流水操作，且APB在AMBA 2.0中，命令的执行固定两个时钟周期。通过本文的介绍我们也不难发现，APB和AHB之间很多信号都类似，且APB较AHB少了许多控制信号，所以只要理解了AHB，APB自然不在话下。后面我们将通过AHB-SRAMC实战项目，继续深入理解AHB和APB。

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后记：因本人水平有限，不足之处在所难免，敬请各位读者朋友批评指正。关于博主的《数字IC验证快速入门》系列文章，目前在CSDN连载更新中，欢迎订阅！