AMBA總線那些事之APB協(xié)議入門

咱們首先來介紹AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)家族中最簡單的協(xié)議APB -- Advanced Peripheral Bus。其實整個AMBA家族的協(xié)議也都有些年頭了，1998年的時候就發(fā)布了ABMA2， 2003年發(fā)布了ABMA3 APB 1.0版，2010年發(fā)布了AMBA 3 APB的2.0版。因為AMBA2太過久遠，現(xiàn)在主流的SoC里絕大多數(shù)IP都支持的是AMBA3 的APB。之后老李的介紹也是基于ABMA 3的APB1.0。

廢話不多說，先說APB能干啥，對于Bus，最核心的功能就是讀和寫，搞清楚有哪些控制信號和讀寫時序是最基本的。APB的協(xié)議非常簡單，控制信號也很少，咱們直接上時序圖理解。

寫時序

這里先插一句，AMBA把它的三個協(xié)議APB, AHB, 和AXI的信號命名都很有規(guī)范，APB的信號都是以P開頭，AHB的信號都是以H開頭，AXI的信號卻不是以X開頭，而是以A開頭，這種命名方式幾乎成為了在設(shè)計AMBA總線模塊時候的潛規(guī)則，雖然ARM沒有規(guī)定你一定要用這種方式命名你的信號，但是在大家設(shè)計不同模塊和接口的時候，大家基本都遵循這種命名規(guī)則，這樣IP的使用者一眼就明白信號的用途，方便你我方便大家。

PCLK是總線時鐘，在上面的圖中，Master驅(qū)動的是PADDR, PWRITE, PSEL, PENABLE, PWDATA，而Slave只驅(qū)動PREADY。PADDR是transaction的地址，PWRITE用來區(qū)分是write還是read，如果是write transaction就是1，是read就是0。PWDATA就是write transaction的數(shù)據(jù)。PWDATA只在write transaction起作用。

然后就是非常重要的PSEL， PENABLE以及PREADY信號，這3個信號之間的關(guān)系標志著一次transaction的開始和結(jié)束:

PSEL從0變?yōu)?，表明要開始一個新的transaction。

PSEL為1的第一個周期，PENABLE要為0，然后在下一個周期變?yōu)?。

當Slave可以確保在下一個時鐘沿接受到PWDATA時，就可以把PREADY變?yōu)?。

當Master看到PREADY為1后，就可以在下一個時鐘沿把PSEL，PENABLE拉為0，結(jié)束transaction。

注意：

PWDATA，PADDR, PWRITE需要在PSEL為高一直到PREADY為高期間都保持穩(wěn)定。

PENABLE必須要在PSEL為高的第一個周期為0（稱為setup phase)，第二個周期為1，直到PREADY為1（稱為access phase)。

如果Master想要在PREADY為高之后下一個沿立刻開始新的transaction，可以不拉低PSEL，而使得PSEL繼續(xù)為1，但是一定要把PENABLE拉低。

然后再來看看讀的時序，其中PSEL, PENABLE, PADDR, PREADY都一致，區(qū)別只在于PWRITE要為0， 以及是由Slave來返回PRDATA，注意要和PREADY在同一個周期返回。

我們看到，APB的讀和寫不能同時進行，每一個transaction要么是讀，要么是寫，由PWRITE來控制。每一個transaction至少需要2個周期。這兩點導致了APB在AMBA三兄弟中是最低性能的，但是好處是協(xié)議簡單，Master和Slave的設(shè)計都只需要很少的邏輯。甚至在Spec里ARM都幫你畫好了狀態(tài)機（至于AHB和AXI， ARM的Spec就沒有幫你畫狀態(tài)機了，你得自己設(shè)計）。

APB通常是作為Peripheral IP的寄存器讀寫總線接口，有些IP可能年頭很久，速度很慢，所以即使給了一個周期去setup，也不能夠在第二個周期確保完成讀或?qū)?，所以slave可以選擇在沒有準備好的時候不assert PREADY，插入wait cycle。咱們再放兩個有wait state的時序圖。

有wait state的寫時序圖

有wait state的讀時序圖

這和valid/ready協(xié)議有點類似，即slave不返回PREADY，那么master就要保證PSEL, PENABLE, PADDR, PWRITE,PWDATA穩(wěn)定，直到PREADY為1。

另外還有個信號PSLVERR （apb slave error)，用于從slave向master返回transaction錯誤，這個錯誤可以由slave自己來定義，比如是非法地址訪問，也可以是訪問timeout了，slave無法在timeout到來之前返回有效的值，那么就可以返回PREADY和PSLVERR來通知master，并且避免總線鎖死。

AMB3 APB2.0又加了2個信號，PPROT和PPROB，這其實是把AHB和AXI中關(guān)于總線transaction的保護和寫操作中的按字節(jié)部分寫入的功能引入APB，咱們就不過多介紹。到AHB和AXI的時候再講。

關(guān)于APB總線協(xié)議部分就這么多，老李覺得簡單到可以給剛學數(shù)字電路設(shè)計這門課的本科生拿來當做一個小作業(yè)，然后讓大家設(shè)計一個master和slave應該都是不錯的嘗試。

協(xié)議介紹完了，我們今天來介紹一個小模塊：APB Slice。先說說Slice的作用，在SoC中，如果Master和Slave的距離比較遠，那么它們之間的bus信號要滿足timing就可能有點困難，比如我們上面看到的PSEL, PENABLE, PADDR, PWRITE這些信號從Master出來，要去很遠的Slave，那么中間就要加很多的buffer，這引入的buffer delay就可能導致我們希望的timing不滿足。這個時候就需要插入slice，給每個控制信號在中間加一級寄存器，把較長的走線縮短。當然插入的slice依然要保持bus的協(xié)議標準。簡單來說，一個slice就是下面中間的那個模塊，站在APB slave的角度，APB slice是它的master，從Slice出來的控制信號需要滿足APB的協(xié)議要求。

這里面我們一個信號一個信號來看，先來看最關(guān)鍵的PSEL

always_ff @(posedge PCLK)

if(!PRESETn)

out_PSEL <= 1'b0;

else if(out_PENABLE && out_PREADY)

out_PSEL <= 1'b0;

else if(in_PSEL && !in_PENABLE)

out_PSEL <= 1'b1;

思路很簡單，當APB slave返回了PREADY，那么transaction結(jié)束，需要out_PSEL變?yōu)?。而當APB master拉起了in_PSEL且in_PENABLE為0時，標志一個新的transaction開始，需要將out_PSEL拉高。

再來看PENABLE，類似的，當out_PSEL為1的時候，還是分setup phase和access phase，當access phase并out_PREADY為1的時候，out_PENABLE要拉回0，out_PREADY為0的時候PENABLE要保持為1。在setup phase則需要把PENABLE拉為1。

always_ff @(posedge PCLK) begin

if(!PRESETn)

out_PENABLE <= 1'b0;

else if(out_PSEL)

if(out_PENABLE && out_PREADY)

  out_PENABLE <= 1'b0;

else if(!out_PENABLE)

  out_PENABLE <= 1'b1;

end

反過來，對于in_PREADY和in_PSLVERR，APB slice則作為APB Master的slave來返回。只有當APB slave返回了PREADY和PSLVERR之后，APB slice才能assert in_PREADY。

always_ff @(posedge PCLK) begin

if(!PRESETn)

in_PREADY <= 1'b0;

else if(in_PREADY)

in_PREADY <= 1'b0;

else if(out_PREADY && out_PENABLE)

in_PREADY <= 1'b1;

end

always_ff @(posedge PCLK) begin

if(!PRESETn)

in_PSLVERR <= 1'b0;

else if(in_PREADY)

in_PSLVERR <= 1'b0;

else if(out_PREADY && out_PENABLE)

in_PSLVERR <= out_PSLVERR;

end

而對于剩下的PADDR, PWRITE以及PRDATA，由于slice的setup phase比master的setup phase晚一拍，那么只需啊在master的setup phase的時候寄存它們的值就行。

always_ff @(posedge PCLK)

if(in_PSEL && !in_PENABLE) begin

out_PADDR <= in_PADDR;

out_PWRITE <= in_PWRITE;

if(in_PWRITE)

 out_PWDATA <= in_PWDATA;

end

always_ff @(posedge PCLK)

if(out_PENABLE && out_PREADY && !out_PWRITE)

in_PRDATA <= out_PRDATA;

我們引入的這個slice的握手是雙向的，對于每一個從master發(fā)出的transaction，只有當slave返回了out_PREADY之后slice才會返回給master in_PREADY，也就是說，slice的引入使得從master的角度看出去的延時增加了一個周期，換句話說插入了一個氣泡。這個我們之前提到過的valid/ready 的ping pong buffer可以避免氣泡還是有不同的。但是由于APB通常來說是低速總線，對于transaction多一個周期少一個周期其實不太關(guān)心。真正需要關(guān)心性能和訪問延遲的地方一般也不會使用APB來作為總線。所以這里引入一個周期的氣泡完全可以接受。