FPGA工程師的研發(fā)之道——總線的研究

如果設(shè)計(jì)中有多個(gè)模塊，每個(gè)模塊內(nèi)部有許多寄存器或者存儲(chǔ)塊需要配置或者提供讀出那么實(shí)現(xiàn)方式有多種，主要如下：

實(shí)現(xiàn)方式一：可以在模塊頂部將所有寄存器引出，提供統(tǒng)一的模塊進(jìn)行配置和讀出。這種方式簡(jiǎn)單是簡(jiǎn)單，但是頂層連接工作量較大，并且如果配置個(gè)數(shù)較多，導(dǎo)致頂層中寄存器的數(shù)目也會(huì)較多。

實(shí)現(xiàn)方式二：通過(guò)總線進(jìn)行連接，為每個(gè)模塊分配一個(gè)地址范圍。這樣寄存器等擴(kuò)展就可以在模塊內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)展，而不用再頂層進(jìn)行過(guò)多的頂層互聯(lián)。如下圖所示：

那如果進(jìn)行總線的選擇，那么有一種極為簡(jiǎn)單的總線推薦被使用，那就是AVALON-MM的總線

ALTERA提出兩種總線類(lèi)型，分別是AVALON-MM，

AVALON-ST。分別用于連接memeory 和數(shù)據(jù)流的傳送

MM不是你想的意思，其英文為memory map。實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射是其主要目的。主要信號(hào)包括如下表所示：

AVALON因此可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單實(shí)用的總線形態(tài)了。對(duì)于其操作來(lái)說(shuō)，總線為同步類(lèi)型的總線，寫(xiě)信號(hào)只需要在寫(xiě)使能有效時(shí)，同時(shí)提供寫(xiě)數(shù)據(jù)即可，而讀數(shù)據(jù)等待信號(hào)無(wú)效時(shí)，讀出數(shù)據(jù)有效。

同樣數(shù)據(jù)類(lèi)型讀數(shù)據(jù)(readdata)和寫(xiě)數(shù)據(jù)(writedata)的寬度可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要靈活配置為(8，16，32----256---1024)BIT等值。即可以支持非常大的位寬，但普通應(yīng)用，只需要(8，16，32，64)BIT等即可滿(mǎn)足應(yīng)用。

那假設(shè)總線寬度32，基本上主流的數(shù)據(jù)總線的寬度。如果需要更細(xì)粒度的劃分，確定讀寫(xiě)某個(gè)字節(jié)有效，那么byteenable信號(hào)也是必須的。其需要4bit來(lái)標(biāo)示32bit(4個(gè)byte)中那個(gè)有效，每一BIT表示一個(gè)字節(jié)，因此如果要完全表示所有的字節(jié)有效，因此字節(jié)有效信號(hào)的寬度為(數(shù)據(jù)總線的寬度/8)。AVALON還可以有burst的操作。主設(shè)備可以通過(guò)burstcount設(shè)備確定brust的長(zhǎng)度，為2的n-1次方。

對(duì)于普通的應(yīng)用，通過(guò)上述表格中的基本操作即可滿(mǎn)足需求，這也正是AVALON-mm總線的優(yōu)勢(shì)。此外模塊按此標(biāo)準(zhǔn)提供連接接口，各種模塊可以掛在NIOSII的片上系統(tǒng)上。

如果模塊之間為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，同時(shí)傳遞大數(shù)據(jù)量的操作，那么的AVALON-mm總線就不太適合，因此AVALON_streaming總線就適合這種應(yīng)用場(chǎng)景。

AVALON_streaming總線本質(zhì)上是一種同步并行總線，即在同步時(shí)鐘狀態(tài)下，使能有效代表傳遞數(shù)據(jù)有效。其基本信號(hào)如下表所示：

從上圖中，可以看出各信號(hào)在數(shù)據(jù)傳輸中的作用，對(duì)于從設(shè)備獲取數(shù)據(jù)的處理，就是VALID有效時(shí)，數(shù)據(jù)有效的采樣操作，非常簡(jiǎn)單方便，易于處理。如果從設(shè)備設(shè)定ready永為1，則表示沒(méi)有反壓的機(jī)制，則主設(shè)備，可根據(jù)自身收包情況一直向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包。此外還有其他輔助信號(hào)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行添加。

使用總線使模塊標(biāo)準(zhǔn)化，便于代碼的移植和設(shè)計(jì)復(fù)用。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)總線的設(shè)定和統(tǒng)一定義也利于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)代碼的標(biāo)準(zhǔn)化，便于理解和傳播。

下文將介紹兩種其他應(yīng)用較廣的總線形態(tài)，AHB(AMBA)如果說(shuō)在PC時(shí)代，壟斷PC江湖的是WINTEL(微軟和英特爾)，那么在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，最具有這個(gè)潛質(zhì)的就是谷歌的andriod操作系統(tǒng)和ARM芯片?；贏RM公司授權(quán)的各型ARM處理器，基本上在各型嵌入式終端設(shè)備占據(jù)了壟斷地位。“背靠大樹(shù)好乘涼”，因此，用于作為ARM處理做片上系統(tǒng)互聯(lián)的AMBA總線標(biāo)準(zhǔn)亦成為業(yè)界應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。

AMBA總線事實(shí)上為三個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)的合集，分別是AHB、ASB、APB。ASB已逐漸被AHB所取代，現(xiàn)在使用最廣泛的為AHB和APB總線，以及最新的擴(kuò)展AXI總線。實(shí)際上，現(xiàn)今系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)借鑒AHB或APB總線標(biāo)準(zhǔn)，用于設(shè)計(jì)各種IP和片內(nèi)模塊之間的互聯(lián)。首先來(lái)說(shuō)AHB和APB總線，一家公司為什么會(huì)退出有兩種類(lèi)型總線，這是因?yàn)锳HB一般認(rèn)為其具備更高的性能和總線吞吐能力，而APB為低速總線，用于連接低速外設(shè)。兩種總線互補(bǔ)，能夠在性能和功耗方面進(jìn)行互補(bǔ)。

如上圖所示

：AHB總線與APB總線在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景。

分別用于連接低速設(shè)備和高速設(shè)備。下表列舉其一些主要的差別。

作為單次傳輸來(lái)說(shuō)，AHB與APB的主要區(qū)別在AHB周期不固定，操作完成標(biāo)示由從設(shè)備返回hready標(biāo)示，而APB周期固定。作為burst傳輸來(lái)說(shuō)，AHB支持增量和回環(huán)兩種方式的突發(fā)。舉例說(shuō)，增量就是挨個(gè)地址自加，如總線寬度為32，地址每次自加4(字節(jié))。而回環(huán)，比如當(dāng)前地址為0xA4，而回環(huán)突發(fā)操作位0xA4， 0xA8， 0xAC， 0xA0。這種突發(fā)方式對(duì)于一些cache讀寫(xiě)內(nèi)存是非常有用的，這樣可以把0xA0-0xA15十六個(gè)內(nèi)存地址一次性讀出。如果設(shè)計(jì)一條這樣的cache line，地址0xA0-0xA15其高位地址一致，便于匹配，這樣這16個(gè)字節(jié)可以通過(guò)一次突發(fā)就能全部填滿(mǎn)。(即回環(huán)這種設(shè)計(jì)與處理器的cache結(jié)構(gòu)是相關(guān)的，現(xiàn)在的cache line有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)，一般64字節(jié)也較為常見(jiàn))。

由于支持多個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行交互，那么對(duì)于多個(gè)主設(shè)備之間就存在競(jìng)爭(zhēng)。(從設(shè)備之間存在競(jìng)爭(zhēng)否?從設(shè)備之間是通過(guò)地址區(qū)分的，被動(dòng)接受主設(shè)備的訪問(wèn)，不會(huì)存儲(chǔ)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。)因此如何解決競(jìng)爭(zhēng)，那就需要仲裁，即主設(shè)備誰(shuí)需要訪問(wèn)總線，則發(fā)起HBUSREQ，而仲裁器收到HBUSREQ，返回給相應(yīng)主設(shè)備HGRANT。此時(shí)該設(shè)備才能訪問(wèn)總線。除此之外AHB還有其他一些信號(hào)，用于輔助整個(gè)系統(tǒng)的傳輸，感興趣的同志，可以看一下AMBA的總線規(guī)范。值得一提的是，作為一個(gè)總線規(guī)范，其提供了全集的解決方案，而作為實(shí)現(xiàn)部分，只需要在滿(mǎn)足規(guī)范的前提下，實(shí)現(xiàn)必要的功能即可，例如AHB總線中規(guī)定，其突發(fā)最大可1K字節(jié)，但是作為一個(gè)從設(shè)備，不一定需要支持這么大的操作，即實(shí)現(xiàn)功能可在總線框架內(nèi)進(jìn)行裁剪，選擇實(shí)現(xiàn)支持的類(lèi)型即可。

在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)中，經(jīng)常有多個(gè)主設(shè)備訪問(wèn)同一從設(shè)備的例子，例如內(nèi)部多個(gè)模塊都需要訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，其實(shí)現(xiàn)方式有多種，通過(guò)AHB的連接架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展的接口單元，用于訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。并且可以作為IP使用。AHB從設(shè)備只需要根據(jù)需要，支持某些burst傳輸即可。

隨著SOC(片上系統(tǒng)的發(fā)展)，對(duì)于高帶寬、低延時(shí)的總線需求更加迫切，ARM公司適時(shí)退出AXI(AMBA3.0)作為擴(kuò)展。

上圖分別是AXI接口的讀寫(xiě)操作，分別可以看出，對(duì)于AXI總線來(lái)說(shuō)，其有5組獨(dú)立的總線，分別是寫(xiě)地址，寫(xiě)數(shù)據(jù)，寫(xiě)響應(yīng)，讀地址，讀數(shù)據(jù)信號(hào)。地址和數(shù)據(jù)信號(hào)分開(kāi)，每組都有自己的控制信號(hào)。

每個(gè)通道中間沒(méi)有時(shí)序關(guān)聯(lián)，如何進(jìn)行操作的?舉例來(lái)說(shuō)明，例如讀數(shù)據(jù)操作，實(shí)際上，主設(shè)備向從設(shè)備中寫(xiě)了一個(gè)讀的命令，包括讀地址，burst大小，方式等。收到后從設(shè)備按照相應(yīng)的命令讀取相應(yīng)大小的數(shù)據(jù)，傳回主設(shè)備，其操作可以簡(jiǎn)化的看做兩個(gè)緩沖區(qū)類(lèi)型的操作，主設(shè)備將讀命令寫(xiě)入從設(shè)備的命令緩沖區(qū)，從設(shè)備取出后，根據(jù)命令將相應(yīng)的數(shù)據(jù)返回給主設(shè)備的接收緩沖區(qū)中。這種操作的好處顯而易見(jiàn)，能夠最大限度的減少總線的開(kāi)銷(xiāo)，因此其讀與讀操作之間獨(dú)立，不用等待讀回，就可以發(fā)送下一次的讀信號(hào)。寫(xiě)操作的流程亦然。

對(duì)FPGA設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，例如xilinx的接口IP(DDR例化時(shí)的接口)，都已支持AXI的接口。FPGA工程師熟悉相應(yīng)的總線接口信號(hào)和特點(diǎn)，對(duì)于技術(shù)方案選擇，IP使用和驗(yàn)證，都是非常重要的。盡量在設(shè)計(jì)中選擇標(biāo)準(zhǔn)總線接口，對(duì)于設(shè)計(jì)復(fù)用，模塊共享來(lái)說(shuō)，則是必由之路。而模塊(IP)復(fù)用的益處隨著設(shè)計(jì)不斷增大將會(huì)不斷顯現(xiàn)。