AMBA片上总线在SoC芯片设计中的应用

随着深亚微米工艺技术日益成熟，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。为此，业界出现了很多片上总线标准。 AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）片上总线在SoC（System on Chip）芯片设计中扮演了核心角色。随着深亚微米工艺技术的进步，集成电路芯片的复杂度不断提升，设计方法也从早期的时序驱动转向了基于 Intellectual Property (IP) 复用的方式。在IP复用的SoC设计中，高效的片上通信机制至关重要，这正是AMBA片上总线标准应运而生的原因。 AMBA 2.0规范定义了四种主要组件：Advanced High-performance Bus (AHB)，Advanced System Bus (ASB)，Advanced Peripheral Bus (APB) 和 Test Methodology。其中，AHB和APB是实际设计中最常用的两个总线类型。AHB设计用于连接高性能模块，如CPU、DMA和DSP，它支持单个时钟边沿操作、非三态实现、突发传输、分段传输和多主控制器。其总线宽度可配置，从32位到128位，且能处理字节、半字节和字的传输。AHB系统由主模块、从模块和基础设施构成，基础设施包括仲裁器、多路器、译码器、虚拟从模块和虚拟主模块。 相比之下，APB主要用于低带宽的周边外设，如UART和I2C。它仅有一个主模块，即APB桥，其传输过程包括IDLE、SETUP和ENABLE三个状态，传输效率较低但控制逻辑简单。APB总线的结构使得它可以很好地服务于那些不需要高速数据交换的外设。 在基于AMBA的SoC设计中，系统通常包含多种属性的模块，如主模块、从模块或两者兼备。主模块负责发起读写操作，而从模块响应这些操作。仲裁器是解决多个主模块共享总线的关键，它可以是固定优先级或循环制算法。AHB总线可以支持多达16个主模块和任意数量的从模块，超过16个主模块时需要额外的层来扩展。 APB桥是连接AHB和APB的桥梁，它锁存来自AHB的数据和控制信号，进行地址的二级译码，实现不同协议间的转换。通过这种方式，APB桥确保了AHB上的高性能模块和APB上的低速外设之间的通信兼容性。 为了加速SoC设计流程，Synopsys的DesignWare提供了预先验证的IP核，包括Implement IP和VIP。Implement IP用于实现具体的硬件功能，而VIP则专注于简化验证过程，以确保设计的正确性和互操作性。DesignWare的这些工具极大地提高了设计者的效率，使得他们能在短时间内完成复杂的SoC设计任务。 AMBA片上总线标准是SoC设计中的重要组成部分，它通过定义清晰的通信接口和协议，促进了不同功能模块之间的有效协作。结合DesignWare等IP库，设计师能够快速构建功能丰富、性能卓越的SoC芯片。