Avalon 總線是一種將片上處理器和外設連接成片上可編程系統（SOPC）的一種簡單總線結構。Avalon總線是一種接口方式，它規定了主從設備之間的接口方式及其通信時序。

　　Avalon 總線的設計目的在于：

　　■ 簡便：提供了簡單易學的協議；

　　■ 優化總線邏輯的資源利用：節約了可編程器件（PLD）內部的邏輯單元（LE）；

　　■ 同步操作：將PLD 上的其他用戶邏輯很好的集成在一起，從而避免了復雜的時序分析；

　　功 能 簡 介

　　Avalon 也包括很多的功能和約定來支持SOPC Builder 軟件自動產生的系統﹑總線和外設：

　　高于4G 的地址空間－存儲器和外設可以被映射為32 位地址空間中的任何地址。同步接口－所有的Avalon信號都被Avalon 總線時鐘同步。這樣簡化了Avalon 總線的相關時序行為并便于高速外設的集成。分離的地址，數據和控制線路－分離的，專用的地址和數據路徑更便于與用戶邏輯相連接。外設不需要對數據和地址周期進行譯碼。內置地址譯碼器－Avalon 總線自動的為所有外設產生片選（Chip Select）信號，大大的簡化了Avalon 外設的設計。

　　多主設備總線結構－在Avalon 總線上可以存在多個主外設。Avalon 總線自動產生仲裁邏輯。基于向導式的配置－方便使用的圖形化向導引導用戶完成對Avalon 總線的配置（增加外設，確定主/從關系，定義存儲器映射）。

　　Avalon 總線結構的自動產生是由用戶在向導界面的輸入來決定的。動態總線容量－Avalon 總線自動處理數據位寬不匹配的外設間傳送數據的細節，便于在多種不同寬度的設備間接口。

　　系統模塊

　　考慮在可編程芯片上實現用戶自定義系統的結構，其中一部分是由SOPC Builder 自動產生的。在Altera PLD 上實現的完整系統如圖1 所示。出于本文的目的，系統模塊的一些部分是由SOPC Builder 自動產生的。系統模塊應該包括最少一個Avalon 主外設和一個Avalon 從外設，例如UART，定時器或者PIO。系統模塊的外部邏輯可以包含用戶Avalon 外設及其他的和系統模塊不相關的用戶邏輯。系統模塊必須與設計者的PLD 設計連接起來 。系統模塊的端口依賴于其所包括的外設及在SOPCBuilder 中進行的設置，并隨其變化。這些端口包括直接到Avalon 總線的接口及在系統模塊中的用戶自定義的和外設相連的接口。

　　Avalon 總線模塊

　　圖1. Altera PLD 上集成用戶邏輯的系統模塊

　　Avalon 總線模塊是任何一個系統模塊的“脊梁”。它是SOPC 設計中外設通信的主要路徑。Avalon 總線模塊是所有的控制、數據、地址信號及控制邏輯的總和，是其將外設連接起來并構成了系統模塊。Avalon總線模塊實現了可配置的總線結構，其可以為設計者外設之間的相互連接而改變。Avalon 總線模塊是由SOPC Builder 自動產生的，所以設計師并不用親自將總線和外設連接起來。Avalon總線模塊基本上不會作為分離的單元而單獨使用，因為系統設計者總是利用SOPC Builder 將處理器和其他Avalon 外設自動地集成于一個系統模塊之中。設計者對Avalon 總線的注意力通常限于與用戶Avalon外設相連接地具體的端口上。

　　Avalon 總線模塊（一條Avalon 總線）是一個主動的邏輯單元，它取代了PCB 板上的被動的，金屬總線。（見圖2）這就是說，Avalon 總線模塊的端口可以被看作是所有連接到被動總線的引腳連接。本手冊只是定義了包含于Avalon 總線模塊接口中的端口，邏輯行為和信號順序，而沒有提及物理總線的電氣或物理的性能。

　　圖2 .Avalon 總線模塊框圖－范例系統

　　Avalon 總線模塊為連接到總線的Avalon 外設提供了以下的服務：

　　■ 數據通道多路轉換——Avalon 總線模塊的多路復用器從被選擇的從外設向相關主外設傳輸數據。

　　■ 地址譯碼——地址譯碼邏輯為每一個外設提供片選信號。這樣，單獨的外設不需要對地址線譯碼以產生片選信號，從而簡化了外設的設計。

　　■ 產生等待狀態（Wait-State）——等待狀態的產生拓展了一個或多個周期的總線傳輸，這有利于滿足某些特殊的同步外設的需要。當從外設無法在一個時鐘周期內應答的時候，產生的等待狀態可以使主外設進入等待狀態。在讀使能及寫使能信號需要一定的建立時間/保持時間要求的時候也可以產生等待狀態。

　　■ 動態總線寬度——動態總線寬度隱藏了窄帶寬外設與較寬的Avalon 總線（或者Avalon 總線與更高帶寬的外設）相接口的細節問題。舉例來說，一個32 位的主設備從一個16 位的存儲器中讀數據的時候，動態總線寬度可以自動的對16 位的存儲器進行兩次讀操作，從而傳輸32 位的數據。這便減少了主設備的邏輯及軟件的復雜程度，因為主設備不需要關心外設的物理特性。

　　■ 中斷優先級（Interrupt-Priority）分配——當一個或者多個從外設產生中斷的時候，Avalon 總線模塊根據相應的中斷請求號（IRQ）來判定中斷請求。

　　■ 延遲傳輸（Latent Transfer）能力——在主、從設備之間進行帶有延遲傳輸的邏輯包含于Avalon總線模塊的內部。

　　■ 流式讀寫（Streaming Read and Write）能力——在主、從設備之間進行流傳輸使能的邏輯包含于Avalon 總線模塊的內部。

　　Avalon 外設

　　連接于Avalon 總線的Avalon 外設是邏輯器件——無論片上還是片外的——它們進行著某種系統級的任務，并通過Avalon 總線與其他的系統部件相通信。外設是模塊化的系統部件，依賴于系統的需要，可以在設計的時候增加或者移除。Avalon 外設可以是存儲器、處理器，也可以是傳統的外設器件，如UART，PIO，定時器或總線橋。任何的用戶邏輯都可以成為Avalon 外設，只要它滿足本文所述的提供與Avalon 總線接口的地址、數據及控制信號接口。連接于Avalon 總線的外設將被分配專用的端口。除了連接于Avalon 總線的地址、數據及控制端口之外用戶也可以自行定制端口。這些于用戶邏輯相連接的信號擴展了系統模塊的應用。Avalon 外設要么是主外設，要么是從外設。主外設可以于Avalon 上開啟總線傳輸，其至少有一個連接于Avalon 總線模塊的主端口。主外設也可以有一個從端口其允許此設備接受其他連接于Avalon 總線的主設備開啟的總線傳輸。而從設備只能響應Avalon 總線傳輸，而不能夠開啟總線傳輸。像存儲器，UART 這樣的從設備，通常只有與Avalon總線模塊相連接的一個從端口。在SOPC 環境中，，區分以下Avalon 總線主設備/從設備的外設類型是十分重要的。

　　系統模塊內部外設

　　如果SOPC Builder 在外設庫中找到了一個外設，或者設計者指定了一個用戶外設的設計文件，SOPC　Builder 將自動的將此外設與Avalon 總線模塊相連接。這種外設是指系統模塊之內的外設，也就是被認為是系統模塊的一個部分。與Avalon 總線相連接的地址、數據及控制端口是向用戶隱藏的。外設中任何附加的非Avalon 端口將作為系統模塊的端口顯示于外。這些端口可能與物理管腳直接相連或者可能與片上的其他模塊相連。

　　系統模塊外部外設

　　Avalon 總線外設也可以存在于系統模塊之外。設計者選擇將模塊置于系統模塊之外可

　　能有以下幾個原因：

　　■ 外設在物理上位于PLD 器件之外

　　■ 外設需要某些粘連邏輯（glue logic）使其與Avalon 總線信號連接

　　■ 在系統模塊產生的時候，外設的設計還沒有完成

　　在這些情況下，相應的Avalon 總線模塊信號作為系統模塊的端口現于外部（及指定的外設）。

　　主端口（Master Port）

　　主端口是主外設上用于開啟Avalon 總線傳輸的一系列端口的集合。主端口于Avalon 總線模塊直接相連。實際上，一個主外設可能有一個或多個主端口及一個從端口。這些主端口及從端口的相互依賴關系是由對外設進行設計時決定的。但是，這些主、從端口上的單獨的總線傳輸應該總是遵循本文所述。

　　本文中所提及的所有主設備傳輸都是指單獨的主端口的Avalon 總線傳輸。

　　從端口（Slave Port）

　　從端口是指在位于某一外設上的，從另一外設主端口接受Avalon 總線傳輸的一系列端口的集合。從端口也直接與Avalon 總線模塊相連接。主外設也可以有一個從端口，通過這個從端口可以使其接受Avalon 總線上其他主設備的傳輸。本文所提及的所有從設備傳輸都是指單獨的從端口的Avalon 總線傳輸。

　　主-從端口對（Master-Slave Pair）

　　“主－從端口對”是指通過Avalon 總線模塊相連接的一個主端口和一個從端口構成的組合。從結構上講，這些主、從端口與Avalon 總線模塊上的相應端口相連接。主端口的控制及數據信號可以有效的通過Avalon 總線模塊與從端口相互作用。主、從端口之間的連接（這就構成了主-從端口對）是在SOPC　Builder 中所確定的。

　　PTF 文件、SOPC Builder 參數及開關

　　Avalon 總線及外設的配置可以利用基于向導的SOPC Builder 圖形用戶接口（GUI）來完成。通過這個GUI，用戶可以設定不同的參數和開關，然后據此產生系統的PTF 文件。PTF 文件是一個文本化的文件，它定義了：

　　■ 定義Avalon 總線模塊結構、功能的參數

　　■ 定義每個外設定義結構、功能的參數

　　■ 每個外設的主、從角色

　　■ 外設端口（如讀使能、寫使能、寫數據等）

　　■ 通往多主端口的從端口的仲裁機制

　　然后，PTF 文件通過HDL 產生器創建了系統模塊的寄存器傳輸級（RTL）描述。