深度解读AMBA、AHB、APB、AXI总线介绍及对比

什么是AMBA？

现如今，集成电路芯片的规模越来越大。数字IC从基于时序驱动的设计方法，发展到基于IP复用的设计方法，并在SoC设计中得到了广泛应用。在基于IP复用的SoC设计中，片上总线设计是最关键的问题。

因而，业界出现了很多片上总线标准，AMBA是其中之一。

AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture），是一种开放的协议，主要用于SoC内部和ASIC，用于连接各种功能模块。简称AMBA总线，最早由ARM设计推出。AMBA是相对使用比较广的片内总线技术，已成为一种流行的工业标准片上结构，如今不单单是ARM专有的。

AMBA总线可以将RISC处理器集成在其他IP芯核和外设中，它是有效连接IP核的“数字胶”，并且是ARM复用策略的重要组件。它不是芯片与外设之间的接口，而是内核与芯片上其他元件进行通信的接口。

首先，让我们按照它的发布版本来认识一下它。

AMBA版本1规范定义：ASB（ Advanced System Bus）与 APB（Advanced Peripheral Bus）；

AMBA版本2规范定义：AHB（Advanced High-performance Bus）、ASB（ Advanced System Bus）与 APB（Advanced Peripheral Bus）；

AMBA版本3规范定义：AXI v1.0（Advanced Extensible Interface）、AHB-Lite v1.0（Advanced High-performance Bus Lite）、 APB v1.0（Advanced Peripheral Bus）与ATB v1.0（Advanced Trace Bus）；

AMBA版本4规范定义：ACE（AXI Coherency Extensions）、ACE-Lite（AXI Coherency Extensions Lite）、AXI4（Advanced Extensible Interface 4） 、AXI4-Lite（Advanced Extensible Interface 4 Lite）、AXI4-Stream v1.0（Advanced Extensible Interface 4 Stream）、APB v2.0（Advanced Peripheral Bus）与ATB v1.1（Advanced Trace Bus）；

它们之间的区别在哪里呢？让我们来依次介绍它们。

AHB （Advanced High-performance Bus） 高级高性能总线

APB （Advanced Peripheral Bus） 高级外设总线

ASB （Advanced System Bus） 高级系统总线

AXI （Advanced eXtensible Interface） 高级可拓展接口

其中AXI是在AMBA3.0的协议中增加的，可以用于ARM和FPGA的高速数据交互，剩下的三种是在AMBA2.0协议中定义的总线标准。

AHB介绍

AHB主要用于高性能模块（如CPU、DMA和DSP等）之间的连接，作为SoC的片上系统总线，它包括以下一些特性：单个时钟边沿操作；非三态的实现方式；支持突发传输；支持分段传输；支持多个主控制器；可配置32位~128位总线宽度；支持字节、半字节和字的传输。

AHB 系统由主模块、从模块和基础结构（Infrastructure）3部分组成，整个AHB总线上的传输都由主模块发出，由从模块负责回应。基础结构则由仲裁器（arbiter）、主模块到从模块的多路器、从模块到主模块的多路器、译码器（decoder）、虚拟从模块（dummy Slave）、虚拟主模块（dummy Master）所组成。其互连结构如下图所示。

AHB的组成

Master（主控制器）：能够发起读写操作，提供地址和控制信号，同一时间只有1个Master会被激活。

Slave（从设备）：在给定的地址范围内对读写操作作响应，并对Master返回成功、失败或者等待等状态。

Arbiter（仲裁器）：负责保证总线上一次只有1个Master在工作。仲裁协议是规定的，但是仲裁算法可以根据应用决定。

Decoder（译码器）：负责对地址进行解码，并提供片选信号到各Slave。

AHB基本信号

HADDR：32位系统地址总线；

HTRANS：M指示传输状态，NONSEQ、SEQ、IDLE、BUSY；

HWRITE：传输方向1-写，0-读；

HSIZE：传输单位；

HBURST：传输的burst类型；

HWDATA：写数据总线，从M写到S；

HREADY：S应答M是否读写操作传输完成，1-传输完成，0-需延长传输周期。需要注意的是HREADY作为总线上的信号，它是M和S的输入；同时每个S需要输出自HREADY。所以对于S会有两个HREADY信号，一个来自总线的输入，一个自己给到多路器的输出；

HRESP：S应答当前传输状态，OKAY、ERROR、RETRY、SPLIT；

HRDATA：读数据总线，从S读到M；

AHB基本传输

两个阶段

地址周期（AP），只有一个cycle

数据周期（DP），由HREADY信号决定需要几个cycle

流水线传送

先是地址周期，然后是数据周期

AHB突发传输与AXI突发传输的特点

AHB协议需要一次突发传输的所有地址，地址与数据锁定对应关系，后一次突发传输必须在前次传输完成才能进行；

AXI只需要一次突发的首地址，可以连续发送多个突发传输首地址而无需等待前次突发传输完成，并且多个数据可以交错传递，此特征大大提高了总线的利用率；

AHB总线与AXI总线均适用于高性能、高带宽的SoC系统，但AXI具有更好的灵活性，而且能够读写通道并行发送，互不影响；更重要的是，AXI总线支持乱序传输，能够有效地利用总线的带宽，平衡内部系统。因此SoC系统中，均以AXI总线为主总线，通过桥连接AHB总线与APB总线，这样能够增加SoC系统的灵活性，更加合理地把不同特征IP分配到总线上。

APB介绍

APB主要用于低带宽的周边外设之间的连接，例如UART、1284等，它的总线架构不像AHB支持多个主模块，在APB里面唯一的主模块就是APB 桥。

APB总线协议包含一个APB桥，它用来将AHB，ASB总线上的控制信号转化为APB从设备控制器上可用信号。APB总线上所有的外设都是从设备，这些从设备有以下特点：

a 接收有效的地址和控制访问

b 当APB上的外设处于非活动状态时，可以将这些外设处于0功耗状态

c 译码器可以通过选通信号，提供输出时序（非锁定接口）

d 访问时可执行数据写入

其特性包括：两个时钟周期传输；无需等待周期和回应信号；控制逻辑简单，只有四个控制信号。APB上的传输可以用下图所示的状态图来说明。

1、系统初始化为IDLE状态，此时没有传输操作，也没有选中任何从模块。

2、当有传输要进行时，PSELx=1，，PENABLE=0，系统进入SETUP状态，并只会在SETUP状态停留一个周期。当PCLK的下一个上升沿到来时，系统进入ENABLE状态。

3、系统进入ENABLE状态时，维持之前在SETUP状态的PADDR、PSEL、PWRITE不变，并将PENABLE置为1。传输也只会在ENABLE状态维持一个周期，在经过SETUP与ENABLE状态之后就已完成。之后如果没有传输要进行，就进入IDLE状态等待；如果有连续的传输，则进入SETUP状态。

APB读写传输

一次传输过程中，psel保持两个周期不变，且在此期间，paddr、pwrite也保持不变，penable在psel有效的第2个周期有效。为了降低功耗，地址信号和写信号将在传输后不再改变，直到发生下一次传输。协议仅要求使能信号有个规则的跳变，背靠背传输情况下，选择和写信号可能有小跳变。

读传输时各信号的时序和写时一样，在读传输中，从机必须在ENABLE周期提供数据，数据在ENABLE末尾的时钟上升沿被采样。

ASB介绍

AMBA2.0 规范中的ASB总线适用于连接高性能的系统模块。它的读/写数据总线采用的是同一条双向数据总线，可以在某些高速且不必要使用AHB 总线的场合作为系统总线，可以支持处理器、片上存储器和片外处理器接口及与低功耗外部宏单元之间的连接。

ASB支持高性能处理器，片上内存，片外内存提供接口和慢速外设。高性能，数据传输，多总线主控制器，突发连续传输。ASB总线是位于APB总线架构之上的用于高性能的总线协议，它有如下特点：

a 突发连续传输

b 单管道数据传输

c 多总线主控制器

AXI介绍

AXI是一种总线协议，该协议是ARM公司提出的AMBA3.0中最重要的部分，是一种面向高性能、高带宽、低延迟的片内总线。AMBA4.0将其修改升级为AXI4.0。

AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-stream。

AXI4.0-lite是AXI的简化版本，ACE4.0 是AXI缓存一致性扩展接口，AXI4.0-stream是ARM公司和Xilinx公司一起提出，主要用在FPGA进行以数据为主导的大量数据的传输应用。

AXI协议是基于burst的传输，并且定义了5个独立的传输通道：读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道、写响应通道。

地址通道携带控制消息，用于描述被传输的数据属性；数据传输使用写通道来实现master到slave的传输，slave使用写响应通道来完成一次写传输；读通道用来实现数据从slave到master的传输。

由若干master设备和slave设备通过一些形式的interconnect组成的典型的系统如下图所示，AXI总线即可作为其中的Interface，实现数据通信。

AXI的性能

AXI总线是一种多通道传输总线，将地址、读数据、写数据、握手信号在不同的通道中发送，不同的访问之间顺序可以打乱，用BUSID来表示各个访问的归属。主设备在没有得到返回数据的情况下可发出多个读写操作。读回的数据顺序可以被打乱，同时还支持非对齐数据访问。

AXI总线还定义了在进出低功耗节电模式前后的握手协议。规定如何通知进入低功耗模式，何时关断时钟，何时开启时钟，如何退出低功耗模式。这使得所有IP在进行功耗控制的设计时，有据可依，容易集成在统一的系统中。

AXI的特点

单向通道体系结构-信息流只以单方向传输，简化时钟域间的桥接，减少门数量。当信号经过复杂的片上系统时，减少延时。

支持多项数据交换-通过并行执行猝发操作，极大地提高了数据吞吐能力，可在更短的时间内完成任务，在满足高性能要求的同时，又减少了功耗。

独立的地址和数据通道-地址和数据通道分开，能对每一个通道进行单独优化，可以根据需要控制时序通道，将时钟频率提到最高，并将延时降到最低。

增强的灵活性-AXI技术拥有对称的主从接口，无论在点对点或在多层系统中，都能十分方便地使用AXI技术。

AXI读写数据

写入数据

1、master通过写地址通道发出写入请求；

2、master通过写数据通道发送写入的数据；

3、slave在完成写入动作后（写数据通道last），通过写响应通道发回确认信息。

读取数据

1、master通过读地址通道发出读取请求；

2、slave通过读数据通道将读取的数据传给master。

握手过程

5个传输通道均使用VALID/READY信号对传输过程的地址、数据、控制信号进行握手。使用双向握手机制，传输仅仅发生在VALID、READY同时有效的时候。

通道顺序

AXI协议要求通道间满足如下关系：

-写响应必须跟随最后一次burst的的写传输

-读数据必须跟随数据对应的地址

-通道握手信号需要确认一些依赖关系

通道握手信号的依赖关系

为防止死锁，通道握手信号需要遵循一定的依赖关系。

1、VALID信号不能依赖READY信号。

2、AXI接口可以等到检测到VALID才断言对应的READY，也可以检测到VALID之前就断言READY。

单箭头指向的信号能在箭头起点信号之前或之后断言；双箭头指向的信号必须在箭头起点信号断言之后断言。

突发传输机制

突发传输，一般也称为数据突发，其在通信领域中一般指在短时间内进行相对高带宽的数据传输。

AXI 总线中的突发传输（Burst Transaction）是指，在地址总线上进行一次地址传输后，进行多次数据传输。第一次地址传输中的地址作为起始地址，根据突发传输类型的不同，后续数据的存储地址在起始地址的基础上递增（INCR 模式）；或者首先递增，到达上限地址后回到起始地址，继续递增（WRAP 模式）；又或者后续数据都将不断写入起始地址，刷新起始地址上的数据。（FIXED 模式）

突发传输的流程

a.主机在读/写地址通道写入起始地址（AxADDR）以及突发传输的长度（AxLEN）、宽度（AxSIZE）、类型（AxBURST）等信息；

b.从机将在起始地址开始，依次接收主机传输的写数据，或者读取连续地址上的数据，作为读数据传输给主机。

突发传输长度

突发传输长度（burst length），指一次突发传输中包含的数据传输（transfer）数量，在协议中使用AxLEN信号控制（AWLEN和ARLEN）。

突发传输长度在不同的模式下有一些限制，包括：

a.对于WRAP模式，突发传输长度仅能为2，4，8，16

b.在一次突发传输中，地址不能跨越4KB地址边界

c.一次突发传输不能在完成所有数据传输前提前结束

突发传输宽度

突发传输宽度（burst size），指传输中的数据位宽，具体地，是每周期传输数据的字节数量，在协议中使用AxSIZE信号控制（AWSIZE和ARSIZE）。

突发传输数据宽度不能超过数据总线本身的位宽。而当数据总线位宽大于突发传输宽度时，将根据协议的相关规定，将数据在部分数据线上传输。

突发传输类型

突发传输类型（burst type），类型共有 3 种，分别为 FIXED，INCR 以及 WRAP。使用 2 位二进制表示，在协议中使用 AxBURST信号控制（AWBURST和ARBURST）。

FIXED：突发传输过程中地址固定，用于FIFO访问。

INCR：增量突发，传输过程中，地址递增。增加量取决AxSIZE的值。

WRAP：回环突发，和增量突发类似，但会在特定高地址的边界处回到低地址处。回环突发的长度只能是2，4，8，16次传输，传输首地址和每次传输的大小对齐。最低的地址整个传输的数据大小对齐。回环边界等于（AxSIZE*AxLEN）。

AHB、AXI、APB的区别与联系

AHB：主要是针对高效率、高频宽及快速系统模块所设计的总线，它可以连接如微处理器、芯片上或芯片外的内存模块和DMA等高效率模块。

APB：主要用在低速且低功率的外围，可针对外围设备作功率消耗及复杂接口的最佳化。APB在AHB和低带宽的外围设备之间提供了通信的桥梁，所以APB是AHB或ASB的二级拓展总线。

AXI：高速度、高带宽，管道化互联，单向通道，只需要首地址，读写并行，支持乱序，支持非对齐操作，有效支持初始延迟较高的外设，连线非常多。

AMBA的应用

大多数挂在总线上的模块（包括处理器）只是单一属性的功能模块：主模块或者从模块。主模块是向从模块发出读写操作的模块，如CPU，DSP等；从模块是接受命令并做出反应的模块，如片上的RAM，AHB／APB 桥等。

另外，还有一些模块同时具有两种属性，例如直接存储器存取（DMA）在被编程时是从模块，但在系统读传输数据时必须是主模块。如果总线上存在多个主模块，就需要仲裁器来决定如何控制各种主模块对总线的访问。

虽然仲裁规范是AMBA总线规范中的一部分，但具体使用的算法由RTL设计工程师决定，其中两个最常用的算法是固定优先级算法和循环制算法。AHB总线上最多可以有16个主模块和任意多个从模块，如果主模块数目大于16，则需再加一层结构（具体参阅ARM公司推出的Multi-layer AHB规范）。APB 桥既是APB总线上唯一的主模块，也是AHB系统总线上的从模块。其主要功能是锁存来自AHB系统总线的地址、数据和控制信号，并提供二级译码以产生APB外围设备的选择信号，从而实现AHB协议到APB协议的转换。

AMBA AHB循环级建模标准是完全公开和免费的。

AMBA总线的仲裁

如果总线上存在多个主模块，就需要仲裁器来决定如何控制各种主模块对总线的访问。

而对于AMBA总线仲裁的相关应用，我们来看一个实例，有关于对应的优先顺序的设置：

即，对应的ARB寄存器，可以设置，AHB总线上面的数据的优先级

ARMI：ARM的指令

ARMD：ARM的数据

DMAC：DMA控制器

BRIDGE：AHB/APB 桥（Bridge）

可以通过配置，决定他们的优先级顺序。

编辑：jq