avalon总线

三种常⽤SoC⽚上总线的分析与⽐较

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（SystemonChip）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：

①充分利⽤IP技术，减少产品设计复杂性和开发成本，缩短产品开发的时间；

②单芯⽚集成电路可以有效地降低系统功耗；

③减少芯⽚对外引脚数，简化系统加⼯的复杂性；

④减少外围驱动接⼝单元及电路板之间的信号传递，加快了数据传输和处理的速度；

⑤内嵌的线路可以减少甚⾄避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰

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-ChipBus，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：

①⽚上总线要尽可能简单⾸先结构要简单，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

②⽚上总线有较⼤的灵活性由于⽚上系统应⽤⼴泛，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，如AMBAAHB⽀持32位~128位数据总线宽度；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

③⽚上总线要尽可能降低功耗因此，在实际应⽤时，总线上各种信号尽量保持不变，并且多采⽤单向信号线，降低了功耗，同时也简

化了时序上述三种⽚上总线输⼊数据线和输出数据线都是分开的，且都没有信号复⽤现象

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总线

AMBA（AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）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：

①满⾜具有⼀个或多个CPU或DSP的嵌⼊式系统产品的快速开发要求；

②增加设计技术上的独⽴性，确保可重⽤的多种IP核可以成功地移植到不同的系统中，适合全定制、标准单元和门阵列等技术；

③促进系统模块化设计，以增加处理器的独⽴性；

④减少对底层硅的需求，以使⽚外的操作和测试通信更加有效

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（AdvancedHigh-performanceBus）、

ASB（AdvancedSystemBus）和APB（AdvancedPeripheralBus）

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

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：

·⽀持多个总线主设备控制器；

·⽀持猝发、分裂、流⽔等数据传输⽅式；

·单周期总线主设备控制权转换；

·32~128位数据总线宽度；

·具有访问保护机制，以区分特权模式和⾮特权模式访问，指令和数据读取等；

·数据猝发传输最⼤为16段；

·地址空间32位；

·⽀持字节、半字和字传输

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：

·低速、低功耗外部总线；

·单个总线主设备控制器；

·⾮常简单，加上CLOCK和RESET，总共只有4个控制信号；

·32位地址空间；

·最⼤32位数据总线；

·读数据总线与写数据总线分开

·Wishbone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

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：

·点到点（point-to-point），⽤于两IP核直接互连；

·数据流（dataflow），⽤于多个串⾏IP核之间的数据并发传输；

·共享总线（sharedbus），多个IP核共享⼀条总线；

·交叉开关（crossbarswitch）（图2），同时连接多个主从部件，提⾼系统吞吐量

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例如说，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：

·所有应⽤适⽤于同⼀种总线体系结构；

·是⼀种简单、紧凑的逻辑IP核硬件接⼝，只需很少的逻辑单元即可实现；

·时序⾮常简单；

·主/从结构的总线，⽀持多个总线主设备；

·8~64位数据总线（可扩充）；

·单周期读写；

·⽀持所有常⽤的总线数据传输协议，如单字节读写周期、块传输周期、控制操作及其它的总线事务等；

·⽀持多种IP核互连⽹络，如单向总线、双向总线、基于多路互⽤的互连⽹络、基于三态的互连⽹络等；

·⽀持总线周期的正常结束、重试结束和错误结束；

·使⽤⽤户⾃定义标记（TAG），确定数据传输类型、中断向量等；

·仲裁器机制由⽤户⾃定义；

·独⽴于硬件技术(FPGA、ASIC、bipolar、MOS等)、IP核类型（软核、固核或硬核）、综合⼯具、布局和布线技术等

Avalon总线

Avalon总线是Altera公司设计的⽤于SOPC（SystemOnProgrammableChip，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：

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（ProgrammableLogicDevice，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

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-sidearbitration）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CPUAvalon开关结构优化了数据

流，从⽽提⾼了系统的吞吐量

Avalon总线主要特性如下：

·32位寻址空间；

·⽀持字节、半字和字传输；

·同步接⼝；

·独⽴的地址线、数据线和控制线；

·设备内嵌译码部件；

·⽀持多个总线主设备，Avalon⾃动⽣成仲裁机制；

·多个主设备可同时操作使⽤⼀条总线；

·可变的总线宽度，即可⾃动调整总线宽度，以适应尺⼨不匹配的数据；

·提供了基于图形界⾯的总线配置向导，简单易⽤

三种⽚上总线⽐较

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

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

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