【数字IC验证快速入门】23、SystemVerilog项目实践之AHB-SRAMC（3）（AHB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

• 基本 AHB 信号
• AHB 传输

二、AHB 详细介绍

2.1、一个典型的AMBA 2.0系统

2.2、AHB 总线互连

AHB总线从上图可以看到主要有三种类型的信号需要传输：

• HADDR
  • 方向为 Master 到 Slave
• HWDATA
  • 方向为 Master 到 Slave
• HRDATA
  • 方向为 Slave 到 Master

总线上有多个Master和Slave，但是总线每个时刻只能有一个Master访问Slave，因此需要一个Arbiter来仲裁地址（HADDR）和写数据（HWDATA）。具体手段，在上图中就是通过Arbiter来选择MUX的某个输入信号，然后将MUX的输出信号送到各个Slave（共享总线的体现），各个Slave分别去译码，译中了之后会进行接收。每个 Slave 地址空间在系统中是唯一的。

各个Slave 的读数据（HRDATA）信号输入到MUX的输入端，然后通过Decoder来选择MUX的某个输入信号，然后将MUX的输出信号送到各个Matser（共享总线的体现）。这个Decoder是HADDR过来的，会去做译码，通过译码会知道这个命令是哪个slave所接收的，同样道理会去选择哪个slave返回的数据，然后返回到master中。

2.3、AHB 传输

上图着重介绍了AHB传输的流程：首先Master发起一个请求给仲裁器（图中未标出），仲裁器会根据各个Master的请求把结果发送出来，分别去选择对应Master地址MUX和数据MUX输入。然后送到各个Slave，Slave本身会进行译码，决定要不要接收！

允许某个主设备控制总线含义：运行某个命令占用总线。举例来说：Master1运行读命令访问Slave2，得到仲裁了，Slave2返回响应之后，这个命令才算结束。结束之后，Arbiter才会将总线释放，去仲裁下一轮。对于Slave来讲，它会根据地址进行译码！

拉高HREADY信号，总线传输完成含义：Slave完成之后，在返回Data的同时会有一个握手Ready返回。代表我的这次访问已经OK了，告诉Master你的这次访问结束了，这样又可以重新申请总线了。

注：这个图面试的时候突击，学习的时候可以先做了解，更重要的还是后面将要介绍的AHB时序。另外，AHB总线目前很成熟都有现成的IP，通常不会要求面试者去设计，验证也非常成熟，故更多聚焦在Slave口的时序上！

2.4、Dummy/Default Master

2.4.1、Dummy Master（用的不多）

• Granted when all masters SPLIT
  • Dummy Master 意即 哑巴的Master，即只有当其他的Master没有响应的时候，它才会响应。防止总线挂死设计的一个Dummy Master。
• Generates IDLE cycles only
  • IDLE 是TRANS中的一个类型，会有BUSY/IDLE这些状态
• Typically Master #0
  • 通常会把Master0作为Dummy Master
• Granted when Locked master gets SOLIT response

（后面看到AHB时序，再回过头来看这些，因为这里面涉及一些信号，诸如：Locked、IDLE…）

2.5、Default Slave

我们地址空间划分，空间很大，每个IP占据了一部分空间后，还有一部分空间是没有IP占用的，这部分空间叫默认空间。如果没有默认空间，那么命令过来，没有响应返回（握手机制），整个系统就会挂死。

2.6、AHB 信号

2.7、基本 AHB 信号

• HRESETn
  • 低有效
• HADDR[31:0]
  • 32位系统地址总线
• HWDATA[31:0]
  • 写数据总线，从主设备写到从设备（M → S）
• HRDATA[31:0]
  • 读数据总线，从从设备读到主设备（S → M）
• HTRANS
  • 指出当前传输的状态
    • NONSEQ（10）、SEQ（11）、IDLE（00）、BUSY（01）
    • NONSEQ（10）、SEQ（11）的使用目前在工业界是不做区分的，处理手法都是一样的！
• HSIZE
  • 指出当前传输的大小
• HBURST
  • 指出传输的burst类型
• HRESP
  • 从设备发给主设备的总线传输状态
    • OKAY、ERROR、RETRY（重传，很少用）、SPLIT（分离，很少用）
• HREADY（返回数据是否有效）
  • 高：从设备指出传输结束
  • 低电平：从设备需延长传输周期

2.8、基本AHB传输

• 两个阶段
  • 地址周期，只有一个cycle（控制信号和地址信号在同一拍）
  • 数据周期，由HREADY信号决定需要几个cycle
• 流水线传送
  • 先是地址周期，然后是数据周期

2.8.1、一次无需等待状态的简单传输

• 第一条竖黑线处：Master release address and control
• 第二条竖黑线处：Slave sample the address and control
• 第三条竖黑线处：Master sample the data

Q：如果slave没有ready？

• A：HREADY在该周期为低！

2.8.2、需要两个等待周期的简单传输

• 经过3拍HREADY才为高，才能进行数据读取和数据写入操作。

2.8.3、流水线（Pipeline）

• 流水，即地址和数据同时发。

2.8.3、Burst Transfer（基本没用，作为了解即可！）

2.9、传输类型

• HTRANS[1:0]：当前传输的状态
  • IDLE、BUSY、NONSEQ、SEQ（后两个合并用，不做区分）
• 00：IDLE（用得少）
  • 主设备占用总线，但没进行传输
  • 两次burst传输中间没有主设备发IDLE
• 01：BUSY（用得少）
  • 主设备占用总线，但是在burst传输过程中还没有准备好进行下一次传输
  • 依次burst传输中间主设备发BUSY
• 10：NOSEQ【single】
  • 表明一次单个数据的传输（single）
  • 或者一次burst传输的第一个数据
  • 地址和控制信号与上一次传输无关
• 11：SEQ【Burst】
  • 表明burst传输接下来的数据
  • 地址和上一次传输的地址是相关的

注：实际使用的时候直接判断HTRANS的高位，为1表示有效（即NOSEQ/SEQ不做区分）。对于slave来讲也是不做SEQ和NOSEQ区分的，因为我们通常会把ADDR传过来，不会去关注是single还是burst！

注：这里仅仅作为概念去记忆即可，另外需要知道的一点，只有Burst才有SEQ，Single的时候只有NOSEQ！

2.10、传输类型举例

2.11、其他AHB控制信号

• HWRITE

  • 高电平（1）：写
  • 低电平（0）：读

• HSIZE[2:0]

  • 000：8bits 100：128bits
  • 001：16bits 101：126bits
  • 010：32bits 110：512bits
  • 011：64bits 111：1024bits
  • 最大值受总线的配置所限制
  • 通常使用32bits（010）

• HPORT[3:0]（不怎么用）【了解即可】

  • HPORT[0]：OPCODE/DATA（操作数/数据）
  • HPORT[1]：USER/PRIVILGED（普通用户/特权用户）
  • HPORT[2]：Bufferable/Non-Bufferable
  • HPORT[3]：Cacheable/Non-Cacheable

注：AHB现在多用于小的MCU，HPORT基本不会去用！

2.12、AHB控制信号小结

2.13、Review

Q：地址译码器的地址从哪里来？

• A：系统地址空间划分设计规定出来的，不同项目空间划分不同！每个AHB Slave都有一个HSEL，HSEL同时只会有一个有效！

Q：master 一次发4个地址，是对应不同的slave吗？

• A：4个地址要对应一个slave，四个地址通常来讲是连续的。

Q：HSIZE是说地址还是数据传输位宽？

• A：HSIZE指的是有效传输数据位宽。数据传输位宽一共是32位，通过HSIZE可以规定32位里面是有效传8/16位还是32位，没有24位。
• 如果有效8位，具体4个8位当中的哪个8位，由地址的[1:0]决定。如果地址[1:0]=0，表示数据的[7:0]有效；如果地址[1:0]=1，表示数据的[15:8]有效；如果地址[1:0]=2，表示数据的[23:16]有效；如果地址[1:0]=3，表示数据的[31:24]有效。

地址总线固定是32位（32系统），那么地址空间相当于4G。

Q：HBURST 作用？

• A：实际工程中这个信号其实没啥作用。协议中规定了：命令与命令之间访问地址空间连续，就可以第一个命令推算下一个命令地址。
• eg：BURST 2 ；0x000C -> 0x000C 0x000D 0x000E 0x000F ； 0x0010 -> 0x0010 0x0011 0x0012 0x0013；作用：我发了一个命令且地址是0x000C，并告诉这个命令是BURST 2，代表我会连续发2个32位地址空间的访问。由于AHB协议中每个命令是把地址带上的， 故做slave的时候一般不看HBURST信号。

面试常问：画一画AHB时序信号？主要信号名字？每个信号作用？