AMBA總線 SoC 系統(tǒng)IP核的即插即用研究

引 言

SOC設(shè)計的快速發(fā)展是以IP核復(fù)用為基礎(chǔ)的。IP核的復(fù)用極大地提高了SoC系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)效率，SoC 片上總線的選擇是IP核間集成與互連的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前片上總線的標準協(xié)議眾多，如ARM公司提出的AMBA總線、OPEN CORES組織提出的WishBone總線、IBM公司提出的CoreConnect總線等。SoC片上總線的多樣性對IP核的封裝規(guī)范提出了要求。標準的IP核封裝規(guī)范有助于提高IP核的復(fù)用甚至實現(xiàn)核的即插即用?；谔岣逫P核復(fù)用以及即插即用目的，OCP-IP組織提出了OCP-IP標準。

1 OCP-lP標準介紹

1．1 OCP協(xié)議

OCP(Open Core Protoco1)標準是OCP-IP組織制定的一種以提高IP核的復(fù)用及實現(xiàn)IP核的即插即用為目的的IP核標準。SoC芯片設(shè)計不再是門級的設(shè)計，而是IP核復(fù)用及其接口的設(shè)計。IP核要集成到一個SoC系統(tǒng)中，要考慮很多問題，例如：模塊間的同步，如全局執(zhí)行、數(shù)據(jù)交換的同步操作等；協(xié)議轉(zhuǎn)換匹配，不同IP核模塊間可能使用不同的協(xié)議，這樣必須考慮協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題。這些問題給IP復(fù)用帶來了一定的難度，并使SoC芯片的time-to-market (上市時間)延長。為解決這些問題，一些大公司提出了自己的總線接口標準，如ARM的AMBA總線、IBM的CoreConnect總線、Altera的 Avalon總線等。因為核的多樣性，使用完全相同的總線接口是不現(xiàn)實的。這就意味著，如果總線A上的一個IP核要移植到另一系統(tǒng)的總線B上，就需要更改此IP的接口以及數(shù)據(jù)交換的方式。如果設(shè)計者不了解總線B的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，這樣就對SoC系統(tǒng)的開發(fā)帶來一系列困難。OCP-IP正是針對這些問題提出的。OCP協(xié)議是免費的，獨立于具體的總線。它將軟件中的分層概念應(yīng)用到IP核接口，提供一種具有通用結(jié)構(gòu)定義、可擴展的接口協(xié)議，能完全滿足IP內(nèi)核通信機制的所有要求，方便了IP核與系統(tǒng)的集成。

OCP協(xié)議使IP核的功能與系統(tǒng)的接口無關(guān)，設(shè)計人員不需要了解IP核的功能也能利用它進行系統(tǒng)設(shè)計。OCP接口允許設(shè)計者根據(jù)不同的目的配置接口，包括接口的數(shù)據(jù)寬度、交換的握手協(xié)議等，并且在SoC設(shè)計中可以裁剪核的功能，降低設(shè)計復(fù)雜性，減小面積，同時滿足SoC的要求；OCP接口還保持核在集成到系統(tǒng)的過程中完全不被改變(即在總線寬度、總線頻率或電氣負載有變化時核保持不變)。使用OCP接口的設(shè)計可以交付即插即用的模塊，同時支持核的開發(fā)與系統(tǒng)設(shè)計并行，節(jié)省設(shè)計時間。

OCP采用套接口(socket)的方法實現(xiàn)IP核的即插即用，如圖1所示。Target Bus A表示總線A，Target Bus B表示總線B。不論總線A或者總線B是哪一類總線協(xié)議，只要總線上提供了OCP的接口，那么符合OCP協(xié)議的IP核就可以隨意集成到任意總線上去，不需要重新設(shè)計IP核的接口。


1．2 OCP通信方式

OCP協(xié)議定義了兩個通信實體問點到點的接口。其中一個實體作為通信的主體(Master)，另一個作為從體(Slave)。只有Master可以發(fā)命令，Slave響應(yīng)Master的命令，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。封裝接口模塊必須擔當每個連接實體的對應(yīng)端，當連接實體是Master時，封裝接口模塊就作為對應(yīng)的Slave；當連接實體是Slave時，封裝接口模塊作Master。

OCP的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。圖中有3個IP核，其中左邊標有主控的IP核是通信的發(fā)起方或者主控方，稱為Master；最右邊標有目標的是通信的目標對象，稱為Slave；中間的IP核既可作為Master又可作Slave；下面的框代表OCP-IP封裝接口模塊；從Master出來并進入Slave的箭頭表示OCP請求命令，從Slave出來并進入Master的箭頭表示OCP的響應(yīng)。2個IP核通過接口通信的過程是：功能為Master的IP核發(fā)出請求命令給對應(yīng)的Slave端(總線封裝接口模塊)；封裝接口模塊將請求命令轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的總線命令傳送給接收方的總線封裝模塊；接收方的總線封裝模塊再作為Master，把對應(yīng)的內(nèi)部總線傳輸轉(zhuǎn)換成標準的OCP命令傳送給目標IP核，目標IP核接收到命令并響應(yīng)命令和返回讀寫的數(shù)據(jù)。

2 基于AMBA總線的OCP接口設(shè)計

AMBA(Advaneed Microcontroller Bus Architecture)總線規(guī)范是ARM公司設(shè)計的一種用于高性能嵌入式系統(tǒng)的總線標準。AMBA總線規(guī)范是開放標準，通過ARM公司的授權(quán)就可以免費獲得。它獨立于處理器和制造工藝技術(shù)，增強了各種應(yīng)用中的外設(shè)和系統(tǒng)IP核單元的可重用性。2．O版AMBA標準定義了3組總線：AHB(AM-BA高性能總線)、ASB(AMBA系統(tǒng)總線)、和APB(AM-BA外設(shè)總線)。AHB總線應(yīng)用于要求高速度高帶寬的系統(tǒng)。本文以AHB總線為例，說明OCP -IP如何集成到SOC系統(tǒng)總線上。AMBA總線基本傳輸時序如圖3所示。HCLK表示AMBA系統(tǒng)時鐘，HADDR[31：0]表示32位地址總線， HWDATA[31：O]表示32位寫操作時的數(shù)據(jù)總線，HREADY是AMBA總線的讀寫狀態(tài)信號(狀態(tài)為低電平時，表示一次讀寫操作完成)， HRDATA[31：0]表示讀操作時的數(shù)據(jù)總線。

OCP-IP核的功能是可裁剪的，即OCP-IP的大部分信號都是可選擇的。根據(jù)核的功能，選擇使用不同的信號。OCP協(xié)議中共有三大類型號：數(shù)據(jù)流信號 (dataflowsignals)、邊帶信號(sideband)、測試信號(test signals)。數(shù)據(jù)流信號主要包括：基本信號(basic signals)、簡單擴展信號(simple extensions signals)、突發(fā)擴展信號(burst exten-sions signals)和線程擴展信號(thread extensions signals)。邊帶信號主要包括：復(fù)位(．Reset)、中斷(Interrupt)、錯誤(Error)等信號。測試信號主要包括用于支持掃描 (Scan)、時鐘控制和IEEE 1149．1(JTAG)的信號。此處用到的OCP信號包括：Reset(復(fù)位)、Clk(時鐘)、En-ableClk(時鐘使能)、MAddr(地址)、MCmd(命令)、MData(數(shù)據(jù))、SCmDACcept(命令接受)、SData(Slave數(shù)據(jù))、SResp(操作成功標志)。簡單的 OCP讀寫時序如圖4所示。Request Phase表示請求階段，Response Phase表示響應(yīng)階段。A處由系統(tǒng)Master發(fā)出1個WR寫命令，并給出地址A1和數(shù)據(jù)D1。隨即Slave發(fā)出命令接受響應(yīng)ScmdAccept，此處一個周期完成了一個寫周期操作，不需要Slave給出寫操作成功響應(yīng)。C處系統(tǒng)Master發(fā)出一個RD讀命令，并給出要讀取的地址A2。Slave 隨即給出命令接受響應(yīng)信號SCmdAccept，在下一個時鐘周期D處Slave給出要讀取的數(shù)據(jù)D2并在Slave響應(yīng)信號SResp上給出讀操作成功標志DVA。此處讀操作用了2個時鐘周期。

OCP-IP跟AMBA總線的通信通過設(shè)計2個狀態(tài)機來實現(xiàn)，1個用于接收AMBA總線上的流水數(shù)據(jù)，1個用于發(fā)送接收的數(shù)據(jù)并以O(shè)CP標準的方式發(fā)送。接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機編碼如下：

H_CTRL_PHASE1用于存儲第1級流水指令，H_CTRL_PHASE2用于存儲第2級流水指令，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。當AMBA總線上發(fā)出第1個讀寫指令，狀態(tài)機進入H_CTRL_PHASE1狀態(tài)，并將第1個讀寫指令轉(zhuǎn)換成OCP命令。因為AMBA總線是基于流水的操作，所以第2條指令的發(fā)出不需要等第1條指令執(zhí)行結(jié)束。這時候，狀態(tài)機進入H_CTRL_PHASE2狀態(tài)，并將此指令存儲起來，等OCP命令執(zhí)行結(jié)束立即將此存儲的指令轉(zhuǎn)換成OCP命令。這時如果AMBA總線上再次發(fā)出第3條指令，則狀態(tài)機進入H_CTRL_PHASE1狀態(tài)，并存儲此指令。

發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)的狀態(tài)機編碼如下：

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。當接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機接收到AMBA總線上的命令時，狀態(tài)機讓OCP接口進入第1個讀寫操作狀態(tài)，即READl狀態(tài)或者WRITE1 狀態(tài)。如果AMBA總線上有持續(xù)的流水操作命令，狀態(tài)機進入READ2狀態(tài)或者WRITE2狀態(tài)，即在AMBA流水操作的條件下，以1結(jié)尾的狀態(tài)的下一個狀態(tài)一定是以2結(jié)尾的狀態(tài)，反之以2結(jié)尾的狀態(tài)的下一個狀態(tài)一定是以1結(jié)尾的狀態(tài)。

3 OCP-IP標準封裝軟件設(shè)計

OCP是一種IP的標準，但不僅僅是IP的接口和數(shù)據(jù)的交換方式，還規(guī)定了IP的配置、端口等信息，即所謂的OCP配置文件。讀取OCP配置文件中的內(nèi)容，就可以知道此IP對應(yīng)的OCP接口的性能，從而對總線上的接口進行配置，進而實現(xiàn)IP的即插即用。雖然IP的功能是多樣的，總線的數(shù)據(jù)交互方式也是多樣的，但OCP接口的時序是固定的。這樣就可以通過設(shè)計軟件提取IP的端口信息，并自動生成相應(yīng)的OCP接口模塊。該封裝軟件運行流程如圖7所示。用戶的 IP可以直接掛在該SOC平臺上進行驗證，同時也可以直接集成到其他帶有OCP接口的SoC系統(tǒng)中去，加快IP的驗證和系統(tǒng)的設(shè)計。

封裝軟件采用MFC(微軟基礎(chǔ)類庫)來編寫。通過設(shè)計用戶界面，用戶只要輸入IP的時鐘、地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制信號等，就可以自動生成1個OCP的接口，以及標準的配置文件，從而實現(xiàn)IP的即插即用以及IP的統(tǒng)一管理。

結(jié) 語

OCP是免費的基于點對點傳輸?shù)腎P核的標準協(xié)議，可重配置以及可擴展性很強，可以實現(xiàn)真正意義上的IP核即插即用，減少SoC系統(tǒng)設(shè)計的時間。本文討論了OCP-IP的協(xié)議與特點，設(shè)計了基于AMBA總線的OCP-IP接口，提出了一種IP自動封裝的方法，為IP核的集成和管理帶來極大的方便。

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