AMBA总线协议AHB、APB、AXI对比分析

一、AMBA概述

AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 高级处理器总线架构

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

ASB (Advanced System Bus) 高级系统总线

APB (Advanced Peripheral Bus) 高级外围总线

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

这些内容加起来就定义出一套为了高性能SoC而设计的片上通信的标准。

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。

几种AMBA总线的性能对比分析

二、AHB总线

AHB的组成

Master：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：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：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：负责对地址进行解码，并提供片选信号到各Slave。

每个AHB都需要1个仲裁器和1个中央解码器。

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。

三、APB总线

主要应用在低带宽的外设上，如UART、I2C，它的架构不像AHB总线是多主设备的架构，APB总线的唯一主设备是APB桥（与AXI或APB相连），因此不需要仲裁一些Request/grant信号。APB的协议也十分简单，甚至不是流水的操作，固定两个时钟周期完成一次读或写的操作。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上的传输可用如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。