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随着集成电路设计技术的发展, 在片上系统（SoC）中, 越来越多地使用各种功能IP核部件构成系统。总线是这些部件连接的主要方式, 目前有数家公司和组织研发了多种面向SoC设计的总线系统。本文介绍SoC中常用的三种片上总线AMBA、Wishbone和Avalon, 分析和比较其特性, 并针对其不同的特点阐述其使用范围。
关键词 SoC 片上总线 AMBA Wishbone Avalon
嵌入式系统是当今计算机工业发展的一个热点。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和若干I/O接口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SoC（System on Chip）。由于功能完整, SoC逐渐成为嵌入式系统发展的主流。
SoC相比板上系统, 具有许多优点：
SoC的设计过程中, 最具特色的是IP复用技术。即选择所需功能的IP（给出IP定义）核, 集成到一个芯片中用。由于IP核的设计千差万别, IP核的连接就成为构造SoC的关键。片上总线（On-Chip Bus, OCB）是实现SoC中IP核连接最常见的技术手段, 它以总线方式实现IP核之间数据通信。与板上总线不同, 片上总线不用驱动底板上的信号和连接器, 使用更简单, 速度更快。一个片上总线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。
由于片上总线与板上总线应用范围不同, 存在着较大的差异, 其主要特点如下：
片上总线有两种实现方案, 一是选用国际上公开通用的总线结构;二是根据特定领域自主开发片上总线。本文就目前SoC上使用较多的三种片上总线标准——ARM的AMBA、Silicore的Wishbone和Altera的Avalon进行讨论, 对三者特性进行分析和比较。
AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture） 总线规范是ARM公司设计的一种用于高性能嵌入式系统的总线标准。它独立于处理器和制造工艺技术, 增强了各种应用中的外设和系统宏单元的可重用性。AMBA总线规范是一个开放标准, 可免费从ARM获得。目前, AMBA 拥有众多第三方支持, 被ARM公司90%以上的合作伙伴采用, 在基于ARM处理器内核的SoC设计中, 已经成为广泛支持的现有互联标准之一。AMBA总线规范2.0于1999年发布, 该规范引入的先进高性能总线（AHB）是现阶段AMBA实现的主要形式。AHB的关键是对接口和互连均进行定义, 目的是在任何工艺条件下实现接口和互连的最大带宽。AHB接口已与互连功能分离, 不再仅仅是一种总线, 而是一种带有接口模块的互连体系。
AMBA总线规范主要设计目的如下：
AMBA总线是一个多总线系统。规范定义了三种可以组合使用的不同类型的总线：AHB（Advanced High-performance Bus）、ASB（Advanced System Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）。
典型的基于AMBA的SoC核心部分如图1所示。其中高性能系统总线（AHB或ASB）主要用以满足CPU和存储器之间的带宽要求。CPU、片内存储器和DMA设备等高速设备连接在其上, 而系统的大部分低速外部设备则连接在低带宽总线APB上。系统总线和外设总线之间用一个桥接器（AHB/ASB-APB-Bridge）进行连接。
图1 基于AMBA的微控制器
AMBA的AHB适用于高性能和高时钟频率的系统模块。它作为高性能系统的骨干总线, 主要用于连接高性能和高吞吐量设备之间的连接, 如CPU、片上存储器、DMA设备和DSP或其它协处理器等。其主要特性如下：
AMBA的ASB适用于高性能的系统模块。在不必要适用AHB的高速特性的场合, 可选择ASB作为系统总线。它同样支持处理器、片上存储器和片外处理器接口与低功耗外部宏单元之间的连接。其主要特性与AHB类似, 主要不同点是它读数据和写数据采用同一条双向数据总线。
AMBA的APB适用于低功耗的外部设备, 它已经过优化, 以减少功耗和对外设接口的复杂度;它可连接在两种系统总线上。其主要特性如下：
Wishbone最先是由Silicore公司提出的, 现在已被移交给OpenCores组织维护。由于其开放性, 现在已有不少的用户群体, 特别是一些免费的IP核, 大多数都采用Wishbone标准。
Wishbone总线规范是一种片上系统IP核互连体系结构。它定义了一种IP核之间公共的逻辑接口, 减轻了系统组件集成的难度, 提高了系统组件的可重用性、可靠性和可移植性, 加快了产品市场化的速度。Wishbone总线规范可用于软核、固核和硬核, 对开发工具和目标硬件没有特殊要求, 并且几乎兼容已有所有的综合工具, 可以用多种硬件描述语言来实现。
Wishbone总线规范的目的是作为一种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。
Wishbone总线结构十分简单, 它仅仅定义了一条高速总线。在一个复杂的系统中, 可以采用两条Wishbone总线的多级总线结构：其一用于高性能系统部分, 其二用于低速外设部分, 两者之间需要一个接口。这个接口虽然占用一些电路资源, 但这比设计并连接两种不同的总线要简单多了。用户可以按需要自定义Wishbone标准, 如字节对齐方式和标志位（TAG）的含义等等, 还可以加上一些其它的特性。Wishbone的一种互连结构如图2所示。
图2 交叉开关方式总线结构
灵活性是Wishbone总线的另一个优点。由于IP核种类多样, 其间并没有一种统一的间接方式。为满足不同系统的需要, Wishbone总线提供了四种不同的IP核互连方式：
还有一种片外连接方式, 可以连接到上面任何一种互连网络中。比如说, 两个有Wishbone接口的不同芯片之间就可以用点到点方式进行连接。
Wishbone总线主要特征如下：
Avalon总线是Altera公司设计的用于SOPC（System On Programmable Chip, 可编程片上系统）中, 连接片上处理器和其它IP模块的一种简单的总线协议, 规定了主部件和从部件之间进行连接的端口和通信的时序。
Avalon总线的主要设计目的如下：
传统的总线结构中, 一个中心仲裁器控制多个主设备和从设备之间的通信。这种结构会产生一个瓶颈, 因为任何时候只有一个主设备能访问系统总线。Avalon总线的开关构造使用一种称之为从设备仲裁（Slave-side arbitration）的技术, 允许多个主设备控制器真正地同步操作。当有多个主设备访问同一个从设备时, 从设备仲裁器将决定哪个主设备获得访问权。图3是一个多主设备同时访问存储器的例子。在此系统中, 高带宽外设, 如100M以太网卡, 可以不需暂停CPU而直接访问存储器。通过允许存储访问独立于CPU。Avalon开关结构优化了数据流, 从而提高了系统的吞吐量。
图3 Avalon总线开关结构
Avalon总线主要特性如下：
通过以上对三种总线特性的介绍, 可以对三种总线作个比较, 如表1所列。
表1 三种总线特性比较
基于三种总线的特性, 可以得出其应用的综合比较, 如表2所列。
表2 三种总线应用综合比较
三种总线各有特点, 决定了其应用范围的不同。AMBA 总线规范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。Wishbone异军突起, 其简单性和灵活性受到广大SoC设计者的青睐。由于它是完全免费的, 并有丰富的免费IP核资源, 因此它有可能成为未来的片上系统总线互连标准。Avalon主要用于Altera公司系列PLD中, 最大的优点在于其配置的简单性, 可由EDA工具快速生成, 受PLD厂商巨头Altera极力推荐, 其影响范围也不可忽视。
本文对SoC中常用的三种总线AMBA、Wishbone和Avalon的特性进行了详细分析和比较, 在此基础上阐述了各自的应用范围, 为SoC设计中总线选择提供了参考。SoC系统中总线的选择不仅要看其性能, 还要看其应用范围, 是否有足够的IP核资源可用等等。另外, SoC中可以选用的总线还有很多, 如IBM的CoreConnect、Plamchip的CoreFrame、Mentor Graphics的FISPbus等等。虽然这些总线目前的应用范围都远不如本文介绍的三种总线广泛, 但是各有其特点和适用领域。因此, 在SoC中选用片上总线时, 需要进行认真选择。
- AMBATM Specification. Rev 2.0
- Specification for the WISHBONE System-on-Chip Interconnection Architecture for Portable IP Cores. Rev: B.3. 2002-09-07
- Avalon Bus Specification. Version 1.1. 2002-04
- 李思昆, 曾献君, 郭阳. VLSI设计方法学. 国防科技大学计算机学院, 2002-04
经典英文参考： http://emsys.denayer.wenk.be/empro/Overview%20of%20Embedded%20Busses.pdf