聊聊AMBA总线-AHB

1 - AHB引言

在上篇文章文章我们已经分析了AMBA总线系列中的APB总线的优点和缺点。

缺点1： APB支持且仅支持一个主机

缺点2： APB两个周期才能完成一个数据的传输，数据传输效率不高。

所以针对以上的缺点，ARM 开发了更高级的总线AHB，下文将详述AHB基于APB的改进点，改进策略，以及AHB的协议运行机制。

1-1 背景

在[漫谈AMBA总线-APB]文章中我们知道 只有一个水果店，只卖三种水果分别是：草莓蓝莓和苹果。 随着该地区人数的上涨， 一个水果店（单主机） 已经不能满足该地区的要求，又因为 水果店和厂商的配合时间太长（传输效率低） ，所以大家在商议之下，又开了一家水果店，两家水果店独立运营。在这样的情况下，之前设计的 水果运输总线（类比APB） 就不能满足当前的需求，所以需要根据当前的需求重新定制水果运输总线V2。

对于V2版本的水果运输总线，在 寻求制定策略方面碰到很多问题 ，但是最主要的两个问题如下：

**问题1 : ** 当水果店1和水果店2同时缺货 ，所以 同时使用大喇叭广播自己的订单需求 ，那么供应厂商 由于两个大喇叭同时通知，会听不清订单的需求，因为互相干扰 。

概念 1：总线碰撞（Bus Collision ）

由于水果店1和水果店2同时使用大喇叭广播自己的需求，导致供货商听不清订单需求，那么这次水果运输的任务就算是失败的。

类比：

在AHB总线里面，ARM在设计的时候就支持连接多个主机进行操作。当两个或者两个以上的主机同时发起数据操作的时候，那么总线就会产生混乱，导致数据传输失败。

本质原因： 一条总线服务两个主机，难免会产生冲突，比如两个人同时打第三个人的电话，第三个人只能接其中某一个人的电话，主要是 资源冲突 。

解决方法：

（1） 给 每个水果店配套一个水果运输总线 ，同时 供应厂商也再配套三个 ，专门为对应的水果店服务（因为供应商同时只能服务一家客户），在IC设计中也叫 资源复制 。这种方案设计最简单，但是耗费大量的资源。

（2） 当出现两个水果店同时进行订单需求的时候，水果店自己需要先确认 一下另一个水果店有没有广播 ，如果有，就等另一个水果店使用大喇叭广播完毕，自己再使用大喇叭广播，在总线协议中，这个动作也叫 总线侦听 。

（3） 两个水果店 不想派人力进行侦听广播（或者不具备条件） ，所以购买一个 仲裁设施 ，该设施对水果店进行等级分类，如果两个水果店同时发起要求，那么最重要的水果店****先获得使用这个仲裁设施的允许再使用大喇叭广播（这个获取仲裁设施的允许也叫获取总线授权），等最重要的水果店完成订单之后，仲裁设施再服务相对比较不重要的水果店，总线仲裁中 称为优先级仲裁策略 。

结论： ARM在升级APB的时候，为了支持多主机，同时为了解决总线冲突的问题，引入了第三种解决方法（ 优先级仲裁 ），给每个主机分配不同的优先级，优先级高的主机先发送数据，优先级低的等待完成之后再进行数据发送。

PS：CAN总线，IIC总线使用的是第二种解决方法（总线侦听）来解决总线碰撞的问题。一般来说，分布式总线比较倾向于使用第二种策略，集中式总线比较倾向于第三种（例如SOC片内总线）。

Q1 ：可能有同学会问，那 两个水果店同时发起请求的几率很小 ，有没有必要引入优先级仲裁策略：

答：如果为了安全的完成数据的策略，即使这种情况出现的概率很小，但是也要考虑这种最坏的情况。同时同样的问题，在SOC设计中遇到这种情况的概率相对较大。

问题2： 在上一版本水果运输总线的时候， 水果店需要一箱水果 ，则厂家就需要 提供一次水果的运输 ，水果店 再需要一箱 ，又得 再次提供一次水果的运输 ，这就导致了水果店订单小，但是经常发起订单，浪费了厂家有效运输的时间，因为****等待订单和运输是串行工作 ，先订单发出再运输再发出订单再运输 。

概念2：突发传输（Burst）

水果店发起请求的时候，不是按照一箱水果作为订单的单位，而是10箱或者其他数目N个作为订单请求(Burst类型)，虽然 厂家运输单位是一箱（也就是一辆车只能运送1箱） ，但是厂家可以派出多辆车同时运输，形成运输的 车队 （ 流水线 ），这样 n拍运输时间就基本满足水果店的需求 ，而 之前是2n拍时间才能满足需求 。所以这个方案需要水果店和水果厂家同时改进方案。

类比：

在AHB总线中，数据传输时基于Burst类型进行传输的，每次传输都是多个（总线位宽的）数据，通过数据形成多拍（流水的）效果，相比APB总线提升数据的传输效率。

这两个点是AHB针对APB总线提升最大的两个点 ，当然AHB为了兼容一些其他的问题，有自己独立的一些信号，这个下面继续讨论。

在这里我们总结一下****多主机总线 的正式概念 ：

总线是被总线上所有的部件所共享的一组通路（连线），对于 支持多主机的总线 ，如果某一个主机想要与 其他的部件进行通信 （获得数据），首先****需要 向总线内部的仲裁器发起使用总线的请求，获得内部仲裁器授予所有权。 其次需要将地址（厂商名字）、数据（水果）、命令（进货还是退货）放到总线上，其他的部件对总线上的数据进行侦听，检查地址数据和命令的是否与自己相关，最后相关从机部件做出命令响应。

2 - AHB总线详解

2-1 AHB在SOC内使用的部分：

如上图：

CPU ： CPU是操作的发起者，CPU发起读写外设数据的操作。

DMA: DMA也是操作的发起者，DMA从一个部件搬移数据到另一个部件。

比如Mem 2 Mem 、 Mem 2 Peri 、 Peri 2 Mem 、Peri 2 Peri

AHB_interconnect(AHB_Bridge):

根据上文所说的总线协议和传输信号的要求，构建出来的设计实体，该实体首先 接收主机端发送过来的独占AHB总线和通路的请求 ，其次根据内部的 仲裁算法拒绝或者授予该主机访问总线的权利 。当主机端被授予访问总线的权利时，该AHB_interconnect(AHB_Bridge)接收主机端的命令、数据、地址总线并传播和生成相应的信号到外设。同时接收外设返回的数据并交付给主机端。

SLAVE：对AHB_interconnect输出数据和指令进行响应。

**Q2 : **是否可以不需要AHB_interconnect，AHB_Interconect的作用是什么？

同上篇APB文章类似，当CPU只有一个外设，那么直接可以和外设相连，不需要AHB_Interconect。同时也不需要总线的仲裁逻辑，所以关于总线仲裁逻辑的接口直接根据信号状态tie相应的值或者悬空。

当CPU需要连接多个外设的时候，且不止有一个主机（还有DMA）时，需要AHB_interconnect进行仲裁、路由、相应外设信号的生成。

2-2 AHB总线接口： （AMBA AHB 2.0）

AHB信号较多，相应功能也比较强大

系统信号：
HCLK
HRESETn
地址总线：
HADDR
数据总线：
HWDATA
HRDATA
命令总线：（支持突发）
HWRITE
HSIZE
HBURST
HPROT
HSELx
HTRANS
HREADY
HRESP
仲裁总线：（支持多主机）
HBUSREQx
HLOCKx
HGRANTx
HMASTER
HMASTERLOCK
HSPLITx

从这张大表可以看出，为了克服APB的缺点从而支持多主机模式、提升效率操作****，所在 总线接口上付出的代价 。至少AHB总线位宽和信号个数远远超过了APB总线。

根据上面的AHB信号列表，结合之前的类比和概念我们基本上就知道AHB该怎么运行，相应的信号如何动作也有了一般的概念。

接下来会从这种总体传输的概念分析到AHB总线内部的时序逻辑和相关的具体操作，希望大家多多支持。