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1、第 21 卷第 3 期百色学院学报2008 年 6 月Vol . 21 - No . 3J OU RNAL O F BA ISE UN IV ERSI T YJ un. 2008So C 片上五种总线标准的分析比较邓崇亮 ,覃焕昌(百色学院物理与电信工程系 ,广西百色 533000)摘 要: 随着 So C (片上系统) 的快速发展 ,高速片上数据传输对片上总线的要求越来越高。文章在分析当前设计中常用的几种 So C 片上总线标准( A RM 的 AMBA 总线、Silico re 的 Wishbo ne 总线、IBM 公司的 Co reCo nnect 总线、Altera 的 Avalo n
2、 总线和 OCP IP 设计的 OCP 总线) 的基础上 , 对它们的综合应用和性能进行了分析比较。关键词:So C ;AMBA 总线; Wishbo ne 总线 ;Co reCo nnect 总线;Avalo n 总线;OCP 总线分类号:TN405 . 97文献标识码: A 文章编号:1673 - 8233 (2008) 03 - 0050 - 06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
3、现的功能集成起来 ,由单片集成电路构成功能强大、完整的系统 , 这就是我们通常所说的片上系统 So C ( System o n Chip ) 。它是以嵌入式系统为核心 ,以 IP 复用技术为基础 ,集软、硬件于一体 ,并追求产品系统最大包容的集成芯片。近 10 年来 ,无论是消费类产品如电视、录像机 ,还是通信类产品如电话、网络设备 ,这些产品的核心部分都开始采用芯片作为它们的“功能中枢”。SoC 片上总线尚处于发展阶段 ,不像微机总线那样成熟 ,目前还没有统一的标准 ,因此各大厂商和组织纷纷推出自己的标准 ,以便在未来的 SoC 片上总线标准中占有一席之地。目前 ,SoC 总线架构有很多
4、,本文就目前使用较多的几种 SoC 片上总线标准 ARM 的 AMBA 总线、Silicore 的 Wishbone 总线、IBM 公司的 CoreConnect 总线、Altera 的 Avalon 总线和 OCP IP 设计的 OCP 总线进行了分析讨论 ,为大家使用提供一些参考。1 So C 片上的五种总线标准1 . 1AMBA 总线AMBA ( Advanced Microco nt roller Bus Architect ure) 总线规范是 A RM 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 ,非常
5、适合于现代大规模集成电路设计自动化的要求。AMBA 总线规范是一个开放标准 ,可免费从 A RM 获得。目前 ,AMBA 拥有众多第三方支持 ,被 A RM 公司 90 %以上的合作伙伴采用 ,在基于 A RM 处理器内核的 So C 设计中 ,已经成为广泛支持的现有互联标准之一。AMBA 总线是一个多总线系统。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 ,规范定义了三种可以组合使用的不同类型的总线:A HB ( Advanced High - perfo rmance Bus) 、A SB ( Advanced System Bus) 和 A PB ( Ad
6、vanced Perip heral Bus) 。典型的基于 AMBA 的 So C 核心部分如图 1所示。其中高性能系统总线( A HB 或 A SB) 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 A PB 上。系统总线收稿日期 :2008 - 03 - 02作者简介 : 邓崇亮(1978 ) ,男 ,贵州兴义人 ,百色学院物理与电信工程系助教;覃焕昌(1967 ) ,男 ,壮族 ,广西乐业县人 ,百色学院物理与电信工程系高级实验师。50邓崇亮 ,覃焕昌/ SoC 片上五种总线标准的分
7、析比较和外设总线之间用一个桥接器( A HB/ A SB - A PB - Bridge) 进行连接。高性能 A RM 处理器高性能片上 A RMU A R TTimetHB 或 A SBPB高带宽外部储器桥接器HB 到 A PB 桥SB 到 A PB 桥DMA 总线主控制器键盘PIO图 1基于 AMBA 的微控制器1 . 1 . 1A HBAMBA 的 A HB 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。A HB 的关键是对接口和互连均进行定义 ,目的是在
8、任何工艺条件下实现接口和互连的最大带宽。1 . 1 . 2A SBA MBA 的 A SB 适用于高性能的系统模块。在不必要适用 A HB 的高速特性的场合 ,可选择 A SB 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。A SB 是第一代 AMBA 系统总线 ,同 A HB 相比 ,它数据宽度要小一些 ,它支持的典型数据宽度为 32 位、64 位。其主要特性与 A HB 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。1 . 1 . 3A PBAMBA 的 A PB 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
9、度;它可连接在两种系统总线上。A PB 是本地二级总线(local seco ndary bus ) ,通过桥和 A HB/ A SB 相连。它主要是为了满足不需要高性能流水线接口或不需要高带宽接口设备的互连。A PB 只有一个 A PB 桥 , 它将来自 A HB/A SB 的信号转换为合适的形式以满足挂在 A PB 上的设备的要求。桥要负责锁存地址、数据以及控制信号。1 . 2Wishbo ne 总线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
10、Wishbone 标准。它的结构极其简单、灵活 ,又完全公开、完全免费 ,已经获得众多支持 ,且它的片上总线技术结构非常适合于可重用 IP 核接口的实现。Wishbone 接口在 IP 核模型之间定义了一组标准的信号和总线周期 ,通过在 IP 核之间创建一个通用的接口 ,可以提高系统的可移植性和可靠性。Wishbone 结构可以提供多种总线周期和数据路径宽度 ,整合方案灵活 ,易于系统实现。Wishbone总线结构十分简单 ,它仅仅定义了一种高速总线 ,在既需要高速总线又需要低速总线的系统中 ,提供了两个 Wish2bone 接口 ,比起设计两个不同的接口要简单得多。图 2 给出了 Wishb
11、one 总线的逻辑结构。High PerformanceHigh PerformanceCPU coreMemoryWIS HBON EHigh PerformanceArbiterDMA co re图 2 Wishbo ne 总线的逻辑结构Wishbo ne 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。Wishbo ne 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
12、现。灵活性是 Wishbo ne 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 ,Wishbo ne 总线有四种将 MA S T ER 与 SL AV E 连接在一起的方式 ,分别为点对点(point - to - point ) 、数据流( data flow) 、共享总线( shared bus) 和十字互连(cro ssbar switch) 。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 Wishbo ne 接口的不同芯片之间就可以用点到点方式51百色学院学报2008 年第 3 期进行连接。四种连接中 ,
13、点对点方式可以最简单地将一个 MA S T ER 与一个 SL AV E 相连 ;数据流方式可以实现数据传输的流水;共享总线方式将多个 MA S T ER 和 SL AV E 相连 ,不过任何时刻只能有一个 MA S T ER 占据总线;十字互连则可实现多个 MA S T ER 和多个 SL AV E 之间同时传输数据。MA S T ER 为目标 SL AV E 初始化地址总线周期 ,仲裁器决定每个 MA S T ER 何时可以访问指定的 SL AV E 。1 . 3Co reCo nnect 总线Co reCo nnect 总线规范是 IBM 公司设计的一种片上系统总线协议 ,它是一套精心设
14、计和构造完整、通用的解决方案 ,可以应用在类似于工作站这样的高性能系统的链接 ,可以方便地控制多个外设 ,如使处理器、内存控制器和外设在基于标准产品平台设计中的集成和复用更加灵活。对于简单的嵌入式应用来说可能有点太复杂 ,提供的许多特性无法用到 ,但可以适应于未来更庞大、更复杂的系统链接。Co reCo nnect 技术使整合变得更为容易 ,而且在标准产品平台设计中处理器、系统以及外围的核可以重复使用 ,在技术上可行性较强 ,从而提高了整个系统的性能。Co reCo nnect 总线架构包括处理器本机总线 PLB ( Processo r Local Bus) 、片上外围总线 O PB (On
15、 - Chip P2erip heral Bus) 、一个总线桥、两个判优器 ,以及一个设备控制寄存器( DCR) ( Device Co nt rol Register Bus) 总线。Xilinx 将为所有嵌入式处理器用户提供 IBM Co reCo nnect 许可 ,因为它是所有 Xilinx 嵌入式处理器设计的基础。图 3 是 Co reCo nnect 在一个 So C 设计中的总线结构图 ,它很清楚地定义了所有的系统构成部件以及它们是如何连接的。图 3 Co reCo nnect 总线结构应用实例1 . 3 . 1PLBCo reCo nnect 的 PLB 总线是一个高性能总线
16、 , 通过总线接口单元来访问存储器设备。如 Power2PC440CPU 核、PCI - X 桥、PC133/ DDR133SDRAM 控制器等性能高带宽的设备都连接在 PLB 上。如用于 Power PC405 内核与高性能设备的连接 , PLB 接口包括 ISPLB 接口和 DSPLB 接口两种。其中 , ISPLB 接口用于外设与 Power PC405 指令缓冲的连接 ,DSPLB 接口用于外设与 Power PC405 数据缓冲的连接。PLB 标准是为总线传输的主要发出者和接受者之间提供高带宽、低延迟的连接。1 . 3 . 2O PBCo reCo nnect 的 O PB 总线为连
17、接具有不同的总线宽度及时序要求的外设和存储器提供了一条途径 ,并尽量减小对 PLB 性能的影响。一些低性能设备都连在 O PB 上 ,内核通过 O PB 来访问低速和低性能的系统资源。在 PLB 与 O PB 之间有一个 O PB 桥 ,用来完成 PLB 主设备与 O PB 从设备之间的数据传输。处理器内核借助于“PLB to O PB”桥 ,通过 O PB 访问从外设;O PB 总线控制器的外设可以借助“O PB to PLB”桥 ,通过 PLB 访问存储器。O PB 标准为连接具有不同的总线宽度及时序要求的外设和内存提供了一条途径 ,并尽量减小对52邓崇亮 ,覃焕昌/ SoC 片上五种总线
18、标准的分析比较PLB 性能的影响。1 . 3 . 3DCRCo reCo nnect 的 DCR 总线主要用来在各种 PLB 和 O PB 的主、从设备中配置状态寄存器和控制寄存器 ,这就使 PLB 从低性能状态中减小负荷 ,更有效地控制读写传输。DCR 总线在内存地址映射中取消了配置寄存器 ,减小取操作 ,增加处理器内部总线的带宽。设备控制寄存器总线 DCR 是用来规范 CPU 通用寄存器设备 , 控制寄存器之间传输数据。DCR 总线在内存地址映射中取消了配置寄存器 ,减少取操作 ,增加了处理器内部总线的带宽。1 . 4Avalo n 总线Avalo n 总线是 Altera 公司设计的用于
19、 SO PC ( System On Pro grammable 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 ,它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 ,非常适合 SO PC 系统设计。Avalo n 总线的主要设计目的是: (1) 简单性 ,提供一种非常易于理解的协议; (2) 优化总线逻辑的资源使用率 ,将逻辑单元保存在 PLD ( Pro grammable Lo gic Device ,可编程逻辑器件) 中;(3) 同步操作 ,将其它的逻辑单元很好地集成到同一 PLD 中 ,同时避免复杂的时序。在 2006 年版本更新中 ,A
20、ltera 将原来的 Avalo n 接口规范升级到最新的 3 . 2 版。最新的 3 . 2 版交换式总线则是在任意的一个主控端和一个从属端之间都可以有一条数据通路 ,只要访问的从属端不同 ,多个主控端可以同时进行数据传输。在总线的每个 Slave 端( Slave Po rt ) 具有一个仲裁单元 ,当连接到该 Slave 端的多个Master 端( Master Po rt ) 同时发起针对该 Slave 端的传输时 ,由这个仲裁模块来决定 Master 端获取 Slave 端传输控制权的情况。Avalo n 总线模块内部的数据通路连接结构如图 4 所示。Co nnected toyst
21、emCo nnected toNio s CPUDMA Co nt rollernterco nnectabricArbit rato rArbit rato rArbit rato rto Flashto SDRA Mto SRA M图 4Avalo n 总线模块内部结构示意图Avalo n 的传输定义为外设与 Avalo n 总线模块间的数据传输 ,为 Master 端传输和 Slave 端传输两类 ,每类传输又分为基本(f undamental) 传输、流水线(pipelined) 传输、突发( burst ) 传输 ,以及带有流控制( Flowco nt rol) 的传输和专门针对片外
22、端口的三态( Tri - State) 传输。一个 Master 端传输和一个对应的 Slave 端传输即可完成两个外设通过总线模块进行的一次数据传输 ,但 Master 端传输与 Slave 端传输的模式并不要求一致 ,两端传输模式可以随意搭配。同种类型的 Master 端传输与 Slave 端传输在时序上基本是一致的 , 其区别仅在于 Master 端传输是由 Master 端外设驱动总线模块 ,而 Slave 端传输是由总线模块驱 Slave 端外设。1 . 5OCP 总线OCP (Open Co re Protocol) 总线是由 OCP IP (Open Co re Protocol
23、 Internatio nal Part nership ) 国际组织提出的片上总线 ,它是为了在 So C 设计中实现 IP 核的即插即用而制订的片上总线规范 ,不依赖于特定处理器内核的总线协议。与其他总线不同的是它不但规定数据和控制信号 ,还规定了测试信号 ,OCP 使用同步的单向信号来简化系统设计和时序分析。只要 IP 核和总线符合 OCP ,即使更换处理器内核和总线 ,也不需要重新设计 IP 核 ,应用非常灵活。该总线也支持流水线操作 ,它是采用主从结构 ,并且通过线程标识符( t hread identi2 fier s) 管理方式实现并发传送 ,这大大增加了数据吞吐率。其数据总线和
24、地址总线的宽度也是可以改变的。OCP 与 V SIA ( Virt ual Socket Interface Alli - ance) 公司的 V CI ( Virt ual Co mpo nent Interface) 非常类似。VCI 只定义了 IP 核通信中数据流方面的内容 ,而 OCP 更像是 VCI 的功能扩展集 ,OCP 把所有的内核通信统一成一个整体 ,包括边频控制、检测动力信号等 ,它的同步单向信号大大简化了 IP 核的实现、综合和时序分析。53百色学院学 2008 年第 3 期OCP 标准是目前惟一一个无所有权 ,公开许可 ,并给出 IP 核系统级综合要求的以核为中心的协议
25、,克服了反复定义、校验、证明和兼容接口的复杂性。图 5 为一个简单系统 ,包括一个包装总线和三个 IP 核实体。在应用中 , IP 核的性质决定了它是否需要主从设备 ,接口包装模块是作为 OCP 连接实体的补充部分。一次系统传输过程如下:一个系统 OCP 主设备向它所连接的从设备(总线包装接口模块) 发送命令、控制或者数据 ,接口模块向片上总线系统提出请求 ,OCP 并没有实现嵌入式总线的功能 ,它是将 OCP 的请求转换成嵌入式总线操作来传输 ,接收总线包装接口模块(作为 OCP 主设备) ,再将这个嵌入式总线操作转换成一个合法的 OCP 命令 ,OCP 从设备接收这个命令图 5OCP 总线
26、应用实例并执行。这就完成了一次传输过程。美国开放内核协议国际合作组织(OCP - IP) 已宣布 ,公开 OCP (开放内核协议) 最新版“OCP 2 . 0”,此次公开的 OCP 2 . 0 在规格上是对“OCP 1 . 0”的扩展。OCP 是为了在 So C 设计中实现 IP 内核的即插即用而制订的片上总线规格 ,不依赖于特定处理器内核和总线协议。只要 IP 内核和总线符合 OCP ,那么即便更换处理器内核和总线 ,也不需要重新设计 IP 内核。2 So C 片上五种总线标准的比较2 . 1五种总线的综合应用比较AMBA 总线规范是一个开放标准 ,是一个功能完备、协议先进的总线 ,拥有众多
27、第三方支持 ,已经成为广泛支持的现有互联标准之一 ,深受广大 IP 开发商和 So C 系统集成者的青睐。Wishbo ne 总线可以提高系统的可移植性和可靠性 ,完全免费 ,已被 O PENCO R E 联盟采用 ,并且有可能成为 IEEE 标准。Co reCo nnect 总线使处理器、内存控制器和外设在基于标准产品平台设计中的集成和复用更加灵活 ,它由处理器本机总线( PLB) 、片上外围总线(O PB) 和一个设备控制寄存器(DCR) 总线组成 ,Co reCo nnect 总线的这一工作原理与 A MBA 总线的 A HB 、A SB 和 A PB 有许多相似之处。Avalo n 总
28、线提供了基于图形界面的总线配置向导 ,简单易用 ,主要用于 Altera 公司系列 PLD 中 ,可由 EDA 工具快速生成 ,非常适合 SO PC 系统设计 ,最大的优点在于其配置的简单性。完全免费 OCP 总线是国际组织为了在 So C 设计中实现 IP 核的即插即用而制订的片上总线规范 ,是一个完全独立的、真正以核为中心的总线 ,不依赖特定的系统要求 ,使用方便 ,最好地实现了 IP 核的复用 ,是一种不依赖于特定处理器内核的总线协议。在五种 So C 总线中 , Wishbo ne 总线和 OCP 总线在小型嵌入式系统中应用较多。而五种 So C 总线中除了 Avalo n 总线只适用
29、系列 PLD 器件外 ,其余的四种都能适用于 FP GA 、 PLD 、A SIC 器件。根据它们的不同规范要求 ,可以得出它们的综合应用比较(如表 1 所示) 。表 1五种 SoC 合 用比 名称AMBAWishbo neCo reCo nnectAvalonOCP适用器件FP GA 、FP GA 、FP GA 、AlteraFP GA 、PLD 、ASICPLD 、ASICPLD 、ASIC系列 PLDPLD 、ASIC适用范 高性能嵌高性能或小高性能嵌用于 Altera 公高性能或小入式系 型嵌入式系 入式系 司 核系 中型嵌入式系 可用 源彼此都提拱了丰富的 IP 核 使用条件声称免
30、,但完全免 声称免 ,但声称免 ,但完全免 需要授 需要授 需要授 54 崇亮 ,覃 昌/ SoC 片上五种 准的分析比 2 . 2五种总线的性能比较在五种 So C 总线的互联方式上 ,AMBA 总线、Wishbo ne 总线、Co reCo nnect 总线和 Avalo n 总线都是共享总线 ,从而使得它们都有多个主控制器且请求响应都是同步执行 ,其中 Wishbo ne 总线还能实现交叉总线、点对点总线的互联方式 ,也就是说在 Wishbo ne 总线中用户可根据自己的需要来选择各模块的互联方式。OCP总线采用的是点对点总线 ,这就使得它的主控制器都是单个的且是异步执行请求响应。在数据
31、线宽度和地址空间的大小上 ,OCP 总线都略小于其余四种 So C 片上总线 ,但它使用方便 ,很容易实现 IP 核的复用。在事务传输方式上 ,A MBA 总线、Wishbo ne 总线、Co reCo nnect 总线和 Avalo n 总线有流水、分离和突发三种传输方式 ,而 OCP 总线不具有分离传输方式。在仲裁机制上 ,AMBA 总线、Co reCo nnect 总线和 Avalo n 总线都采用系统定义 ,Wishbo ne 总线采用用户自己定义 ,而 OCP 总线却采用无仲裁机制。从以上的分析我们可以看出 ,每一种总线的工作原理和性能并不一样 ,它们提拱的特性和规范的完整性也不同
32、,具体如表 2 所示。表 2 五种 SoC 性能比 名称AMBAWishbo neCoreCo nnectAvalonOCP共享 互 方式共享 交叉 共享 共享 点 点 点 点 主控制器多个多个多个多个 个数据 度/ 位32 - 51232 - 51232 - 51232 - 512用 可配置地址空 / 位6464646432 求响 同步同步同步同步异步数据 方式都可以按字 、半字、字几种方式 事 方式流水/流水/流水/流水/流水/分离/ 突 分离/ 突 分离/ 突 分离/ 突 突 数据 方式都有大端 和小端 两种方式 仲裁机制系 定 用 自定 系 定 系 定 无仲裁3结 语本文对 So C
33、中常用的 A RM 的 AMBA 总线、Silico re 的 Wishbo ne 总线、IBM 公司的 Co reCo nnect 总线、Altera 的 Avalo n 总线和 OCP IP 设计的 OCP 总线进行了具体讨论 ,对它们的性能和综合应用作了比较详细的分析和比较。以上几种 So C 总线最大的区别在于它们提供的特性和规范的完整性不同。这就要求我们了解和掌握这些特点 ,以便根据自己的设计需要和对总线的熟练程度 ,选择适合自己设计方案的 So C 片上总线。参考文献: 1 媛 ,章 , 新 . 三种 SoC 片上 的分析与比 J . 山 科技大学学 (自然科学版) ,2005 ,
34、 (2) . 2 蒋彭 ,宋征宇 ,刘志 . AMBA 技 在片上系 ( SOC) 集成 中的 用J . 航天控制 ,2006 , (3) . 3 曾繁泰. EDA 工程的理 与 践: SOC 系 芯片 M . 北京: 子工 出版社 ,2004. 4 鑫 ,徐 俊 , 先勇. Avalo n 最新接口 准 述J . 中国集成 路 ,2007 , (11) . 5 李瑞 , 春元 , 莉. 三种常用 SoC 片上 的分析与比 J . 界 ,2004 , (2) . 6 ST EV E , FU RB ER. A R M s ystem - on - chi p a rchitect u re. S econ d Edition M . Addiso n - Wesly Publish ,2000 . 7 H EN R Y C HAN G ,COO KE. S u rvi vi n g t he S oC Revol ution M . Kluwer Academic Publishers ,1999. 8 OCP - IP. OCP Specification Rev2. 0 EB/ OL . http :/ / www . ocpip . org/ socket/ ocp spec/ .【责任编辑:张志巧】55