AMBA APB总线协议（APB4）

一、APB总线介绍

APB总线是ARM公司早期推出的一款用于设备通信的分时独占总线，目前主要用于慢速外设的寄存器配置总线。APB总线结构简单、接口信号少，可以带来更低的资源和功耗，在目前主流SoC设计中仍然使用广泛。为了简化APB接口外设的集成设计难度，APB总线的信号转换和上升沿相关联，每次传输至少需要花费2个时钟周期。APB总线目前最新版本为APB3，相比于上一版本增加了PSLVERR信号，用于反馈Slave端的错误。

二、APB总线信号

APB总线有两个独立的数据总线pwdata和prdata，一个用于写数据，另一个用于读数据。总线位宽最高支持32bits，由于每个数据总线没有独立的握手信号，因此单一时间只能有一个传输事件发生，要么是读数据要么是写数据。下表是APB总线所有接口信号和说明。

信号	方向	信号说明
PCLK	时钟->总线	时钟，上升沿数据有效。
PRESETn	复位->总线	复位，低有效，该信号可直接和系统总线复位连接。
PADDR[31:0]	总线->Slave	APB总线地址，最大32bits，用于寻找。
PPROT[2:0]	总线->Slave	保护类型信号，用于表明数据传输、指令传输的保护等级，可设置三种不同等级：normal、privileged和secure，越后面保护等级越高。
PSELx	总线->Slave	Slave选中信号，总线产生该信号用于指示哪个Slave设备被选中，被选中的Slave才会产生写数据和读数据等有效传输。
PENABLE	总线->Slave	使能信号，用于使能总线传输，配合PSELx一起使用。
PWRITE	总线->Slave	该信号用于指示APB读写操作，“1”为写操作，“0”为读操作。
PWDATA[31:0]	总线->Slave	写数据，最大32bits宽度，只有PWRITE为高时才有效。
PSTRB[3:0]	总线->Slave	写字节使能，用于指示写数据中的哪些byte数据有效，Slave只会将byte有效的数据写入对应地址。
PREADY	Slave->总线	ready信号，该信号用于指示Slave端是否准备就绪。
PRDATA[31:0]	Slave->总线	读数据，最大32bits宽度，只有PWRITE为低时有效，Slave收到读操作后的返回数据。
PSLVERR	Slave->总线	该信号用于反馈Slave出现的错误，高有效。部分APB2及以下Slave不支持该功能，总线端接常值“0”处理。

APB4新增了PSTRB信号，利用PSTRB信号，可以传输以字节为单位长度的数据，例如Slave寄存器为8bits宽度，APB总线为32bits宽度，那么只需要将32bits其中的一个字节写入Slave，利用PSTRB信号来指示哪个字节为有效数据。PSTRB信号为4bits，每一个bit对应PWDATA中的一个字节，PSRTB[0]控制PWDATA[7:0]，依次对应。对于读而言，该信号建议维持全“0”。

三、APB总线传输

3.1.立即写传输

立即写传输是指PREADY为高，Slave设备就绪的情况下，进行的写传输过程。其时序如下图所示，在T1时刻总线发起一次写传输，地址PADDR、PWDATA、PWRITE、PSEL同时改变，在PCLK的上升沿同时有效。T1时刻被称为本次传输的setup phase。

在T2时刻，使能信号PENABLE拉高有效，同时PREADY反馈总线设备就绪，数据在PCLK上升沿被寄存。T2时刻称为本次传输的access phase开始，PREADY拉高表示slave可以在下个上升沿完成本次传输。

PADDR、PWDATA和控制信号将会全部保持valid，直到T3时刻。T3时刻也被称为access phase的结束。PENABLE、PSEL信号会在T3时刻后拉低，表示传输的关闭或结束。如果后续还有传输进入，则该信号不会被拉低。

3.2 等待写传输

等待写传输是指当PREADY没有拉高有效时，总线发起了写传输的情况。该过程的setup phase和立即写传输相同，但在access phase开始时，由于PREADY为低，总线写传输不能继续进行，必须等待PREADY拉高有效后再继续。总线将会保持下列信号不变，直到PREADY为高：PADDR、PWRITE、PSEL、PENABLE、PWDATA、PSTRB和PPROT。

PRADY在PENABLE为低时，可以为任意数值，总线只会检查access phase开始后的PREADY情况。

3.3 读传输

读传输同样可按照PREADY情况分为立即读和等待读两种情况。立即读传输和立即写传输相似，在access phase的结束时刻，也就是T3的上升沿，将数据通过PRDATA返回，同时拉高PREADY有效。T3时刻结束后，PSEL、PENABLE等信号拉低表示传输结束。

需要注意的是，如果Slave未准备好数据，可以将PREADY拉低，直到请求地址的数据准备好以后再拉高PREADY，同时将DATA返回，如下图所示。

在access phase开始时，总线如果发现PREADY为低，则会将PADDR、PWRITE、PSEL、PENABLE、PPROT信号保持住，直到PREADY拉高。

3.4 错误响应

PSLVERR信号用于指示APB传输错误，该信号只在PSEL、PENABLE和PREADY同时为高时，也就是APB传输的最后一个时钟周期时判断是否有效。建议在未发生传输时将该信号保持低，只有在Slave发生内部错误或异常时，将该信号拉高一拍有效。

总线会将该错误信号传递回请求Master，如果Master是CPU、DSP等处理器，可能会导致Master进入异常状态，但Master未必会对产生错误的Slave进行操作，这需要根据具体情况进行分析。当一次写传输接收到error时，这并不表示写到的Slave数据没有被Slave接收；当读传输收到error时，对应的读数据应该被判定为无效。

上图分别是读和写传输发生错误的时序，部分APB外设不支持PSLVERR信号，或者交付的IP中不支持该信号，那么总线接口处可将该信号赋常值“0”。

对于APB发送的PSLVERR信号，转到AXI协议上对应为RRESP/BRESP = SLVERR，也就是将PSLVERR映射到RRESP[1]/BRESP[1]。

对于APB发送的PSLVERR信号，转到AHB协议上对应为HRESP=ERROR，也就是将PSLVERR映射到HRESP[0]。

四、总线保护

为了支持复杂系统设计，使用PPROT[2:0]来标识合法的互联和传输，抢占式总线很容易被监听，因此总线保护非常有必要。APB总线提供三层访问保护，PPROT[0]表示正常或私有传输，PPROT[1]表示安全或不安全传输，PPROT[2]表示数据还是指令传输，具体如下表所示。

PPROT[2:0]	保护等级
[0]	1:私有传输 0:一般传输
[1]	1:不安全传输 0:安全传输
[2]	1:指令传输 0:数据传输

上述几种模式按照SoC系统的保护要求进行划分，APB总线用于支持SoC系统中的处理器对于数据传输安全的要求，目前在MCU等嵌入式处理器中该信号仍有一定作用。但是，随着AHB和AXI总线的提出以及处理器的升级换代，该功能逐渐变得有些无用。并且，在有些情况下，该定义无法表示其含义，比如当一个混合指令发送到Slave端，传输包含数据和指令，此时无法标记该次传输为数据或指令都不太合适。目前来看，PPROT主要用于识别安全或非安全传输，而PPROT[0]和PPROT[2]的含义可以有不同的理解。

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