片上总线与板上总线存在若干明显差异

随着超大规模集成电路的迅速发展，半导体工业进入深亚微米时代，器件特征尺寸越来越小，芯片规模越来越大，可以在单芯片上集成上百万到数亿只晶体管。如此密集的集成度使我们现在能够在一小块芯片上把以前由CPU和外设等数块芯片实现的功能集成起来，由单片集成电路构成功能强大的、完整的系统，这就是我们通常所说的片上系统。

IP复用是片上系统时代的核心技术之一。由于IP核的设计千差万别，它们要能够直接连接，就要遵守相同的接口标准。在片上系统中，处理器核和所有外设通过共享总线互通互联，因此这些IP核必须遵守相同的总线规范。总线规范定义的是IP核之间的通用接口，因此它定义了一套标准的信号和总线周期，以连接不同的模块，而不是试图去规范IP核的功能和接口如何实现。一个片上总线（On-Chip Bus,OCB）规范一般需要定义各个模块之间初始化、仲裁、请求传输、响应、发送接收等过程中驱动、时序、策略等关系。

芯片与电路板的资源和环境的不同，导致片上总线与板上总线存在若干明显差异，包括：

①片上总线多采用单向信号线，而板上总线多采用三态信号。片上三态总线无论在功耗、速度、可测性上都存在很大缺陷，而且一旦出现多驱动情况便会损毁芯片（比如若应该输出"Z"的信号实际输出为"1"，而另有一个信号输出为"0"，就形成一个低电阻通路，导致局部电流过大，热量难以及时释放，从而增加芯片功耗和大大降低芯片寿命）。由于片上布线资源较为丰富，因此片上总线多采用单向信号线。由于电路板上布线资源较为昂贵，因此板上总线多采用三态总线，但是由于三态总线的功耗问题和速度限制，目前板上总线也在向串行和非三态方向发展，如USB和PCI Express。

②片上总线比板上总线更加简单灵活。首先片上总线结构要简单，这样可以占用较少的逻辑单元；其次时序要简单，以利于提高总线的速度；第三接口要简单，如此可减少与IP核连接的复杂度。片上系统应用广泛，不同的应用对总线的要求各异，因此片上总线具有较大的灵活性。其一，多数片上总线的数据和地址宽度都可变，其二，部分片上总线的互连结构可变，如Wishbone总线支持点到点、数据流、共享总线和交叉开关四种互连方式；其三，部分片上总线的仲裁机制灵活可变，如Wishbone总线的仲裁机制可以完全由用户定制。而板上总线则较为死板，时序也更加苛刻。

目前比较常见的片上总线规范有ARM公司的AMBA、Silicore的Wishbone、IBM公司的CoreConnect和Altera公司的Avalon。其他三种总线各有特点，其适用范围也不同。AMBA 总线规范因ARM处理器的广泛使用而拥有众多第三方支持，被ARM公司90%以上的合作伙伴采用，已成为广泛支持的现有互连标准之一。IBM公司的CoreConnect因为IBM的业界地位也有广泛的应用。Avalon主要用于Altera公司系列FPGA中，最大的优点在于其配置的简单性，可由EDA工具快速生成。这三种片上总线虽然都是公开标准，但都不是免费的。而Wishbone则是一个真正开放和免费的规范。它最先是由Silicore公司提出的，目前由OpenCores组织维护。由于其开放性，因此OpenCores上的免费的IP核，大多数都采用Wishbone标准。Wishbone的优势除开放、免费、拥有众多免费IP核外，还有简单、灵活、轻量的特点，特别适合大型IP内部的小型IP之间的互联。在很多OpenRISC处理器设计中，各个模块间的互联接口中大量的采用了Wishbone总线规范。

Wishbone已被OPENCORE 联盟采用，并且有可能成为IEEE标准。因此，Wishbone 总线从技术上讲简单、灵活、功能强大及易于移植，从经济角度考虑又全部免费，易于全面推广。我们认为它极有可能成为未来SoC片上总线的通用标准，其前景看好。

Lattice在MachXO3等系列的产品中采用基于Wishbone总线的IP核设计，包括软核和一些硬核（Harden I2C、SPI、Timer/Counter）。学习Wishbone的基本原理，对我们在使用和设计IP时都是很有帮助的。Wishbone作为一个轻量级片上总线，比AMBA等总线简单的多，很适合片上总线的入门者学习。