進一步了解AMBA總線架構和協議

如果你是一個IC工程師，并且當前的芯片設計是 基于各種復用IP的SOC芯片 ，你肯定聽說過AMBA、AHB、APB、AXI、AXI-lite、ACE、CHI等。

AMBA總線協議是一套由ARM提供的互連規(guī)范，該規(guī)范標準化了各種IP之間的芯片通信機制。這些設計通常有一個或多個微處理器以及集成其他一些組件——內部存儲器或外部存儲器橋、DSP、DMA、加速器和各種其他外圍設備，如USB、UART、PCIE、I2C等。AMBA協議的主要動機是用一種標準和高效的方法來重用這些跨多個設計的IP。

學習AMBA協議的第一步是了解這些不同的協議在哪里使用，是如何演進的，以及它們適合什么樣SOC設計。 下圖展示了傳統基于AMBA的SOC設計，它使用AHB（高級高性能）協議進行高帶寬互連，以及針對低帶寬外圍互連的APB（高級外圍總線）協議。

隨隨著越來越多的IP集成到SOC設計中，讀寫共享的AHB、APB總線已經無法滿足互聯需求了。2003年，AMBA3.０引入了 點對點連接協議 ——AXI（高級可擴展接口）。此外在2010年，又推出了一個增強版——AXI4。下圖說明了協議的演變以及行業(yè)中的SOC設計趨勢。

下圖說明了如何使用AXI互連來構建各種IP通信的的SOC。與以前的AHB/ASB總線相比，AXI互連有助于提高連接數量。

在移動和智能手機時代發(fā)生了進一步的演進，SOC集成了2/4/8核處理器和共享cache，并且需要跨內存子系統的硬件管理一致性。這導致了在AMBA修訂版4中引入了 ACE（AXI一致性協議擴展） 。

在當前HPC和數據中心市場的異構計算時代，單個芯片上集成越來越多的處理器核心以及GPU、DSP、FPGA、內存控制器和IO子系統。2013年，AMBA5引入了CHI協議，作為AXI/ACE協議的重新設計。基于信號的AXI/ACE協議被新的基于包的CHI協議所取代。

ARM已經開源了所有的協議，所有的規(guī)范都可以從ARM的網站上免費下載。

１、APB：高級外圍設備總線(APB) 用于連接低帶寬的外圍設備。它是一個簡單的非流水線協議。讀寫操作共享同一組信號，不支持burst數據傳輸。最新的規(guī)范(APB2.0)可以在ARM網站上找到， 是最容易學習的AMBA 協議 。

２、AHB：高級高性能總線(AHB) 用于連接共享總線上需要更高帶寬的組件。這些slave組件可以是內部內存或外部內存接口、DMA、DSP等。AHB可以通過burst數據傳輸來獲得更高的帶寬。

３、AHB-lite協議是AHB的一個簡化版本。簡化后 只支持一個主設計 ，這消除了對任何仲裁、重試、分割事務等的需求。

４、高級可擴展接口(AXI) 適合于高帶寬和低延遲互連。這是一個點對點的互連，并克服了AHB、APB等共享總線協議在可連接的代理數量方面的限制性。該協議支持多個outstanding 的數據傳輸、burst數據傳輸、單獨的讀寫通道和支持不同的總線寬度。

5、AXI-lite協議是AXI的簡化版本，簡化后不支持突發(fā)數據傳輸。

**6、AXI-stream **協議是AXI協議的另一種風格，它只支持數據流從master 流到slave。與完整的AXI或AXI-lite不同，AXI-stream 協議中沒有單獨的讀/寫通道，因為其目的是只在一個方向上流。

7、ACE-AXI協議是AXI4協議的擴展，應用于在一個芯片上集成多個CPU核心與一致性cache的場景。ACE協議擴展了AXI讀寫數據通道，同時 引入了單獨的snoop 地址、snoop 數據和snoop 響應通道 。這些額外的通道提供了實現基于snoop 的一致性協議的機制。

8、ACE-Lite —對于沒有自己cache的agents ，但仍屬于可共享一致性域的一部分，如DMA或網絡接口agent，使用ACE-lite協議實現這種“單向”一致性。

9、CHI —ACE協議作為AXI的擴展而開發(fā)，以支持一致性互連。ACE協議使用了master/slave之間的信號電平通信，因此互連需要大量的線和增加的通道來進行snoops 和響應。這對于具有2/4核移動SOC 的小一致性clusters非常有效。隨著SOC上集成越來越多的一致性clusters ——AMBA5修訂版引入了CHI協議。CHI協議使用基于分層分組的通信協議，具有協議、鏈路層和物理層實現，還支持基于QoS的流控制和重試機制。

概述是我們深入地了解這些協議的開始，進一步了解的最好方法是閱讀規(guī)范，以了解每個協議的細節(jié)。APB和AHB相對簡單，而且很容易學習。AXI和ACE/CHI相對復雜，需要詳細閱讀，以及了解緩存一致性和一般通信協議的基本知識。