AHB总线

2022-06-15 15:34:25 作者：互联网

图示一个3主机，4从机的AHB interconnection 示意图

通过多路复用器multiplexor连接多个主机或从机，所有的从机的RDATA通过MUX连接到每个主机，所有主机的WDATA通过MUX连接到每个从机。同时读操作的MUX由Decoder控制合适的所选从机进行数据和相应传输(rdata & response)。写操作的MUX由Arbiter控制，决定哪一个主机获得BUS的使用权(granted address & control signals routed all slaves)。

总线操作——主机发起总线申请，Arbiter授权后主机获得address和control(方向，传输宽度，burst种类等) signals。一次transfer包括——一个周期的地址和控制；一个或多个周期的数据

主机向某个从机传输时，所有从机都要采样address(address cannot be extended)；而数据可以通过HREADY进行扩展，它LOW时是在transfer中插入等待状态，从机可以进行数据收发。

从机HRESP[1:0]

OKAY——当前传输正常，如果遇到HREADY表示传输结束
ERROR——当前出错
SPILT，RETRY——当前传输是未完成的，主机需要继续尝试传输

通常主机可以完成burst在仲裁机将权限授予下一次主机之前。但为了防止过长的仲裁延时打断了一次burst行为，那么当事主机必须重新申请仲裁授权以继续完成中断你的burst。

Transfer特性

在传输中，从机可以进行等待，如果从机发生等待那么主机必须一致保持数据直到这cycle数据被接收(在单cycle transfer中，[此时HRESP应该是OKAY] 时序图上就是取决于HREADY)。并且当多个transfer发生时，从机等待会造成主机address & control signal phase与 data phase交织。(实际上这是流水线总线传输的特性，保证了传输的性能，图中C的address & control phase和 B data phase交织了)

TRANSFER 传输类别

分为IDIE，BUSY，NONSEQ，SEQ

IDIE——主机granted后，没有给从机传输的意思，就要以IDIE transfer type发送。从机必须响应zero-wait state OKAY response(HRESP，HREADY)，并且无视data
BUSY——主机在进行BURST传输中(未完成)，无法继续data transfer的时候，要以BUSY type发送表示空数据，上一个transfer必然是SEQ，NONSEQ。从机必须响应zero-wait state OKAY response(HRESP，HREADY)，并且无视data
NONSEQ——主机进行burst传输的第一个transfer和非burst的transfer 都要用NONSEQ；它标志新的开始，与上一个transfer类别无关
SEQ——主机在Burst中的第二次到结束的有效transfer用SEQ，上一个transfer必然是SEQ，BUSY，NONSEQ。并且这次transfer的控制信号不变，地址信号与上一次关联(递增或wrap循环)

(后续会解释如何以32bits位宽总线发16bits数据)

Burst种类

HBURST[2:0]	Type	Description
000	SINGLE	Single transfer
001	INCR	Incrementing burst of unspecified length
010	WRAP4	4-beat wrapping burst
011	INCR4	4-beat incrementing burst
100	WRAP8	8-beat wrapping burst
101	INCR8	8-beat incrementing burst
110	WRAP16	16-beat wrapping burst
111	INCR16	16-beat incrementing burst

burst中的transfer必须有，transfer size和address boundary 对齐。例如word(4byte)要和HADDR[1:0]==00，half word(16bits)要和HADDR[0]==0。Burst的地址边界是1KB，进行burst传输不能超过这个地址范围

如果主机的burst过早结束了，从机可以通过transfer type判断下一次主机再进行transfer的情况。如果是SEQ或者BUSY则可以认为主机继续进行了中断burst的transfer；如果主机transfer type是NONSEQ或者IDIE说明上一次提前终止的burst已经截止了。如果主机因为失去BUS授权中断了burst，那下一次获取BUS ownership应该重建burst传输。e.g. 在4-beats burst由于arbiter中断了，下一次granted时候，主机可以用INCR进行3次transfer 完成burst。

Control 信号

Address Decoding

从机被分配的最小地址空间是1KB，因此主机进行burst不能超过地址范围是1KB。e.g. 写到0x3FC(1020)，下一次不能写8Byte，要先写4Byte，超过0x400(1020)再写。如果主机的transfer以SEQ，NONSEQ的type访问了从机不存在的地址空间，从机返回ERROR response；如果主机transfer type以IDIE，BUSY访问不存在的地址空间，从机回复OKAY response。

所谓地址解码，实际上就是通过主机transfer访问不同的address 范围，确定出不同从机对应的address范围，生成HSELx 从机选择信号。

Slave Response

AHB总线没有机制说，主机开始transfer就立刻取消它。

从机响应采用HRESP和HREADY结合的方法，HREADY HIGH表示当前transfer是正常的，LOW表示进行等待(extend transfer)

• complete the transfer immediately 立刻完成
• insert one or more wait states to allow time to complete the transfer 插入等待
• signal an error to indicate that the transfer has failed 错误
• delay the completion of the transfer, but allow the master and slave to back off the bus, leaving it available for other transfers. 延时完成传输，允许主从退出总线，令总线进行其他传输

从机挂起总线前，必须预知到要插入的wait state的数量。推荐但不强制，不要超过16个

除了OKAY，剩余的ERROR，RETRY，SPLIT 3个response都是至少2-cycle response。OKAY响应可能在HREADY是LOW的情况下。RETRY是没有完成传输，主机必须进行重传。SPLIT是主机授权中断，再次获取总线后应该继续传输；当传输完成时，从机可以代表主机访问BUS。2-cycle response就是通过控制HREADY来完成的，倒数第二个cycle，从机HREADY LOW，HRESP[1:0]显示ERROR，SPLIT或者RETRY；倒数第一个cycle，从机HREADY HIGH，HRESP[1:0]继续保持。而2-cycle以上的 response，同样需要HREADY LOW操作，但除最后2个response为ERROR等状态外必须是OKAY。

2-cycle机制是因为流水线总线的特性，这样给主机足够的时间在检测到差response后，进行address和HTRANS[1:0]调整(下一次transfer为IDIE)。

当SPLIT、RETRY响应出现时，主机必须取消接下来的下一次transfer。因为下一次transfer禁止在当前transfer完成后发生。二者都可以使得transfer从BUS中释放，让其他高优先设备访问BUS。但区别在于RETRY下，arbiter只会给更高优先级的设备；SPLIT不同，arbiter可能也会让低优先级设备使用BUS。SPILT使得从机和arbiter的设计更复杂。主机应该用同种机制处理SPILT和RETRY；再次申请BUS并发起transfer直到完成，或者收到ERROR响应。

DATA BUS

在宽总线位宽进行小于位宽的数据transfer的时候，依据字节序进行byte lane选择。如果是burst的话，每个beat的byte lane都不同。在W/R的时候，相应有从机/主机在接收端对byte lane进行有效选择。在设计中所有数据路由、所有模块、桥都应该保持相同的字节序。动态调整字节序是不支持的，因为对绝大多数嵌入式设计而言，这带来了冗余。

小端——little-endian

大端——big-endian

在从机进行transfer，主机读取数据HRDATA时，主机如果需要wait state，只需HREADY LOW，并且wait state的时候不需要保持HRDATA，只需要在结束wait state的下一个cycle提供有效HRDATA并HREADY HIGH就可以了。从机的response为SPLIT, RETRY and ERROR 时，不需要提供有效HRDATA数据。

Arbitration

仲裁机的意义就是让任一时刻只有一个master使用BUS。仲裁机会扫描所有master发起的request来决定谁有最高的总线访问优先级，并且也会处理来自slave进行SPLIT transfer的请求。从机不支持SPLIT则无需了解arbitration过程，但他们需要关注由于总线所有变化时导致的burst中止。

在AHB中最多有16个master，每个master有一个用于发起仲裁请求的HBUSREQx；
master在进行不可分割的传输时，需要通过HLOCKx标记总线申请(在HBUSREQx HIGH的同时)，为了防止仲裁机改变BUS所有权，必须在第一次transfer发出address之前一个cycle先有HLOCKx HIGH；
master在自己所属的HGRANTx HIGH时获得了总线最高优先级的仲裁——在HREADY，HGRANTx为HIGH并且HCLK为上升沿的时候
HMASTER[3:0]标记了仲裁机将哪个主机的优先级置为最高，以控制地址和控制多路复用器。同时进行SPLIT的slave也需要HMASTER[3:0]标记哪个主机需要进行SPLIT transfer
HMASTLOCK被仲裁机用来表示当前BUS的transfer是被锁定用来不可分割transfer的，该信号时序与address和control信号一样
HSPLIT[15:0] 是从机用来指示需要SPLIT传输的主机，从而仲裁机可以决定让相应主机完成SPLIT

master在进行一个固定burst的时候，不必担心总线授权的中断，因为仲裁机会检测HBURST[2:0]信号。如果master进行非固定长度burst被中断了(仲裁机不会预测unfixed-length burst)，它必须持续申请总线直到开始最后一次transfer。如果master burst时候中断，同样必须持续HBUSREQx 为HIGH申请总线完成burst。master完成一次burst后，通常需要再次申请总线。可能存在没有主机需要使用BUS，仲裁机会将权限给一个默认主机，此时无需transfer但获取了ownership的主机，必须进行HTRANS[1:0]为IDIE的传输。

这个图画错了，Decoder应该Arbiter。图示了HGRANTx与HMASTER怎么进行控制master和multiplexor的。

主机在HREADY和HGRANTx同时HIGH获的授权。

仲裁机在master之间切换总线授权时，master获取grant的时候比address变更要晚，因为上一个master的地址和数据还在传输。

通常一个主机在burst中不会被仲裁机中断，但防止单个主机过度占有BUS，仲裁机可能会提前中止主机的总线。一旦中止，主机需要重新申请仲裁，并且体现在HBURST和HTRANS中表明不是一次完整的burst。e.g. 如果8-beat的busrt在3个transfer以后断了，那么重新开始的burst要么是length==5的unfixed-length busrt，要么是4-beat busrt再加一个single burst。仲裁机应该在HLOCKx的场合，多分配一个transfer给主机，以保证最后一个transfer被顺利响应而不是SPILT或者RETRY。仲裁机还应该发起HMASTLOCK确保所有从机知道当前transfer是lock。

默认主机必须被授权当所有其他主机等待SPLIT transfer完成时。默认主机在不需访问BUS却被授权时，要发IDIE transfer。

SPLIT

当从机发起SPLIT response时，仲裁机不会给匹配主机BUS权限。因此仲裁机会检测所有的response信号。仲裁机会在每个周期扫描HSPLITx，如果从机能够进行SPLIT传输，会发起HSPLITx bit为HIGH，仲裁机应该在检测到这种情况时授予相应主机BUS权限。

从机应该检测HMASTER并记录，以确保从机响应SPLIT的时候，能够在恢复SPLIT传输时对应到相关主机。如果仲裁机打算恢复一个收到SPLIT响应主机，使其继续传输时，如果有更高优先级的主机申请BUS，那么SPLIT传输的主机或许会被搁置。SPLIT传输被继续完成后，从机应该进行OKAY response。

总线协议要求一个主机只允许有一个未完成的事物(SPLIT RETRY)，如果主机可以有多个未完成的事物(outstanding transaction)，那么主机需要多条BUS REQ信号表示不同的transaction。一个模块可能在一个总线网络上是多个不同BUS的主机，但它允许有一个outstanding transaction。SPLIT能力的从机可能同时收到多个主机的请求，但它只需要响应SPLIT无需几率主机的地址、控制数据；该从机需要记录被响应SPLIT的主机数字。当合适的时候，从机需要设置要回复SPLIT传输主机所对应的HSPLITx bit就可以了。如果主机被仲裁机授权进行BUS传输，那主机需要传输之前SPLIT后续的地址和控制信号；完成SPLIT传输之前，主机可能被多次授权(SPLIT好几次)。

防止死锁——当多个主机访问一个从机，而从机响应SPLIT或RETRY response时却没有能力处理这么多个主机，可能发生死锁。

为了防止SPLIT导致死锁，从机需要能够接收来自16个主机的请求，从机无需记录主机控制和地址信号，只需要知道有transfer被SPLIT响应了。最终所有主机的优先级都是低的，而从机可以依次和仲裁机解决每个主机的请求。从机可以以任何顺序进行与主机的outstanding transaction，但必须先进行LOCK transaction再进行其他transaction。

响应了RETRY的从机只能在一个时刻被一个主机访问。但防止多个主机访问响应RETRY从机的硬件保护不是本协议强制的。而这种硬件保护可以被从机自身所实现，从机可以检测连接的主机是不是发出RETRY响应的主机(通过主机序号)，如果发生重传行为从机就检测主机序号，如果不是同一个主机，从机可以响应ERROR、触发系统中断，触发完全系统复位，发信号给Arbiter。

当发生SPLIT或者RETRY response时，主机应该在下一个周期发送IDIE transfer，以保证BUS handover(这使得HGRANTx变更后new master会遇到IDIE引起的HREADY，顺利变更BUS ownership )。如图