AHB总线笔记（一）

系统芯片中各个模块之间的连接通讯就通过总线，总线就作为子系统之间共享的通信链路。总线可以理解为数据传输的协议，大家都按照这种协议（AHB、APB、AXI）来传数据，这样各个模块之间就不会出错，尤其是很多时候别人买你的IP，你要保证人家买过去能用起来，那就需要一个规范来统一标准，我们称之为总线。

总线的优点就是成本低，方便使用。缺点也很明显，就是会造成性能瓶颈，也正是因为这个所以总线协议一直在更新，到现在的AXI4，读写数据通道分开，增加了数据的带宽。

AMBA全称Advanced Microcontroller Bus Architecture，即片上总线协议标准。AMBA协议是与工艺无关的，没有电气特性，而是一种协议。总共定义了三种总线：

AHB（Advanced High-performance Bus）

ASB（Advanced System Bus）用的很少

APB（Advanced Peripheral Bus）

AMBA发展历史：

AMBA1.0：ASB和APB

AMBA2.0: AHB、ASB和APB

AMBA3.0：AMBA Advanced eXtensible Interface（AXI）

AMBA4.0：....

AHB特点：

高速总线，高性能。

具有两级流水操作，包括地址周期和数据周期的两级流水线处理。第一个周期读地址，第二个周期写数据，用流水线操作处理，在第二个周期写数据的同时读另一个地址，这样在下一个周期就可以直接写数据，读地址写数据同时进行，这样两周期的操作在流水线开始后每周期都能写一个数据。

AHB可以支持多个总线主设备（最多16个）。

还支持burst传输。就是一次burst传输，一次性传输一串数据，数据长度为burst length。

总线带宽：8、16、32、64、128bits。采用上升沿触发操作。

APB总线特点：

低速总线，低功耗，接口简单。在bridge中锁存地址信号和控制信号。适用于多种外设，采用上升沿触发操作。

AHB组成部分：

AHB主设备（master）

初始化一次读/写操作。某一时刻只允许一个主设备使用总线。比如CPU、DMA、DSP、LCDC等。

AHB从设备（slave）

响应一次读/写操作。通过地址映射来选择使用哪一个从设备。外部存储器控制EMI、APB bridge等。

AHB仲裁器（arbiter）

因为总线上只允许一个master访问，所以在多个master同时申请总线的时候就会引起冲突，这就需要仲裁器来选择给哪个master总线的控制权。但是在AMBA协议中没有定义仲裁算法，所以具体分配可以自己定制，循环优先也好、设定优先级也好，都可以自己定制。

AHB译码器（decoder）

通过地址译码来决定哪一个从设备。它必须知道地址map信息，知道后就会分析总线上的address是什么值，落在那个slave的区域，就会把对应slave的HSEL信号拉高。而作为slave而言，他就看自己的HSEL信号是否被译码器拉高来判断自己是否要工作。

APB组成部分：

AHB2APB Bridge

可以锁存所有地址、数据和信号。进行二级译码来产生APB从设备选择信号，APB有一个地址空间比如0x5000_0000~0x6fff_ffff，其中又分为很多小的APB地址，比如APB1~APB5，当AHB总线上地址落在0x5000_0000~0x6fff_ffff时，代表这块APB被选中，选中之后就会通过二级译码来判断具体是落在那个APB块儿上。

APB总线上的所有其他模块都是APB从设备。

拿一个CPU控制DMA的过程举例说明设备之间的通信：

DMA在系统中主要起一个数据搬运的作用，它可以代替CPU做数据迁移。DMA有自己的地址空间，表格中的Address为偏移地址offset，从DMA基地址开始的一些寄存器保存的一般为状态，称为状态寄存器。CPU控制DMA搬移数据，先从DMA中读DMA的Status，如果读取DMA是ready状态，那么就可以给DMA写的0x00地址给1，然后告诉DMA数据搬运的起始地址（Source address) 和目的地址（Destination address），然后还要告诉DMA搬运数据的个数size。之后就可以把搬运数据的工作交给DMA，然后自己腾出手来去做别的事。CPU控制DMA做数据搬运主要可以分为以下几个步骤：

step1:CPU设置(source address)、(destination address) 、（size）

step2:启动DMA

step3:DMA把数据从memory1传输到memory2

step4:DMA向CPU发起中断请求

step5:CPU检查DMA的状态

AMBA总线的互连：

Arbiter控制mux选择哪个master有效。选中了master之后，HADDR会被送进Decoder判断选中的是那个slave，然后把对应slave的HSEL信号拉高表示slave工作，接着读入地址和数据信号，这里其他的slave其实也能看到数据和地址信号，但是因为他们的HSEL信号没被拉高，所以不会工作。

master和slave中还有一对常用的master和slave，就是default master和default slave。当没有master在工作的时候，就选择default master来控制总线，这个master可以直接访问总线而不需要两个仲裁周期的时间，他是最常用的master。当没有slave被控制的时候就选择 default slave 来被控制。

这里的信号都是H打头，因为是AHP总线的信号，如果是APB的话，就会是P打头。HRESETn表示低电平有效的复位。HADDR[31:0]是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。HRDATA[31:0]读数据总线，从从设备读到主设备.

HTRANS是指当前传输的状态，分为IDLE、BUSY、NONSEQ和SEQ。00：IDLE，主设备占据总线，但没进行传输，两次burst中间主设备没准备好的话发IDLE。01：BUSY，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，一次burst传输中间主设备发BUSY。10：NONSEQ，表明一次单个数据的传输，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，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。

HWRITE信号表示读写状态，HWRITE=1时表示写，=0时表示读状态。HSIZE指BUS的宽度当前传输大小，HSIZE=000时为8bit，HSIZE=001时为16bit，HSIZE=010时为32bit，以此类推。HBURST指传输的burst类型，总共有8个类型：SINGLE、INCR、WRAP[4|8|16]、INCR[4|8|16]。HSELx用来选择slave。HRESP是从设备发给主设备的总线传输状态，有四种状态：ERROR、OKAY、SPLIT和RETRY，RETRY和SPLIT有区别。RETRY不影响被拒绝的master 的优先级，但是如果用SPLIT拒绝了当前的master，arbiter会把当前被拒绝的master优先级降低。HREADY 为高：从设备指出传输结束；为低：从设备需要延长传输周期。

一次无需等待的AHB传输

写操作，HADDR就是写地址，把HWDATA信号写入，如果是读，HADDR就是读地址，采HRDATA信号读出数据。

如果slave没有准备好接受信号，那么传输的数据就会被延长直到HREADY被拉高。但是master不会一直无限等slave，最多等16个周期，slave在HRESP信号里返回RETRY。

但是上面这种传输速度不够快，所以AHB采用的实际上是pipeline结构的数据传输，如下图。

这样一次传输一个地址，传输一个数据，那么每来一次传输，都要decode一次，效率很低，提高传输效率的方法就是burst传输，每一次burst传输只需要decode一次，提高数据传输效率。

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