隨著半導體制造業的發展，在相同尺寸的芯片上安裝更多邏輯門的能力穩步提高。這使得能夠在同一芯片上包含越來越多的元件，導致了SoC或片上系統的誕生。

SoC通常被定義為包括構成計算機的所有必要元件的集成電路。這包括CPU，RAM，非易失性存儲器，UART以及系統所需的任何其他外設。由于在同一芯片上有大量不同的組件，因此有效地連接和管理這些子系統很快就成為一項挑戰。

高級微控制器總線架構（AMBA，AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）是解決此問題的一種嘗試。

什么是AMBA？

高級微控制器總線架構（AMBA，AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）是一個開放標準，它概述了如何連接和管理SoC中的不同組件或功能塊。AMBA規范由ARM開發，已成為SoC中接口組件的事實標準。雖然AMBA目前正處于第5版，并且隨著時間的推移已經有了很大的發展，但傳統的實現仍被廣泛使用并且新版和老版之間仍然具有相關性，所以建議牢記這一點，因此本文將使用版本2.0作為起點，并在以后的文章中構建這些想法。

為何選擇AMBA？

開發AMBA規范是為了解決SoC設計中的一些關鍵問題。其中之一是正確的首次開發，這意味著如果使用得當，AMBA可以從一開始就確保一致的設計，減少昂貴的重新設計。AMBA的另一個關鍵要求是技術獨立性或使設計可重復使用并且與系統組件的細節無關。通過模塊化系統設計，AMBA鼓勵開發組件庫，以便一次完成的工作不需要重復。AMBA的最后一個動機是最小化片上和片外通信所需的芯片量。

AMBA總線

在版本2.0中，描述了三種不同的總線，用于促進片上通信的實現。這些是高級高性能總線（AHB，AdvancedHigh-PerformanceBus），高級系統總線（ASB，AdvancedSystemBus）和高級外設總線（APB，AdvancedPeripheralBus）。AHB是系統的主干，專為高性能，高頻率組件而設計。這包括處理器，片上存儲器和存儲器接口等的連接。

ASB是AHB的替代方案，不需要某些高性能功能。APB是一種簡化的接口，專為不需要AHB或ASB的高性能的低帶寬外設而設計。其中包括UART，低頻GPIO和定時器等組件。

圖1

圖1.包含AHB/ASB和APB的AMBA總線（取自AMBARev.2.0）

先進的高性能總線（AHB）

在修訂版2.0中，AHB是AMBA的新成員。它被添加以適應高性能設計。添加的一些新特征是分離事務，單周期總線主控切換，單時鐘邊緣操作和更寬的數據總線配置，即64/128位。

AHB必須包含主設備和從設備之外的許多組件。這些組件是地址和控制多路復用器，讀多路復用器，寫多路復用器，解碼器和仲裁器。圖2顯示了連接到AHB上四個從站的三個主站。所示信號是地址信號（HADDR），寫數據總線（HWDATA）和讀數據總線（HRDATA）。該地址用于從連接選擇，寫數據總線用于將數據從主機移動到從機，讀數據總線用于在從機和主機之間移動數據。

圖2

圖2.帶有主設備，從設備，多路復用器，仲裁器和解碼器的AHB（AMBARev.2.0）

當主設備需要控制總線時，它必須首先向仲裁器發送請求。

仲裁器基于優先級方案授予訪問權限，該優先級方案確保首先給予具有較高優先級的主控器。該優先級方案不是由AMBA定義的，并且在設計之間會有所不同。許多控制信號用于定義數據傳輸的方向，寬度和類型。AHB解碼器從主設備接收地址信號并將其解碼為從設備選擇信號。從機通過HRESP信號響應主機，主機和從機之間的數據傳輸開始。

總共有大約20種不同的AHB信號，每種信號都有一個獨特的目的。圖3顯示了AHB信號和ASB信號以供參考。

高級系統總線（ASB）

ASB是AHB的簡化版本，可為16位和32位系統提供高性能。除了允許分離事務的某些控制信號之外，AHB上的許多相同信號用于ASB。

ASB的操作以請求從仲裁器訪問總線的主設備開始。仲裁者授予請求并開始轉移。解碼器解碼總線上的地址并選擇從站設備。從站設備響應主站設備并進行數據傳輸。

圖3

圖3.與ASB信號相比的AHB信號

高級外設總線（APB）

高級外設總線（APB，AdvancedPeripheralBus）是用于低頻系統組件的簡化接口。修訂版2通過使所有信號轉換與時鐘的上升沿同步來進一步簡化總線。

高級外設總線（APB，AdvancedPeripheralBus）由一個稱為APB橋的單總線主站組成，它充當AHB/ASB上的從站。因此，橋接器是高性能總線和低頻外圍設備之間的接口。APB上的外圍設備是從屬設備。圖4列出了APB信號名稱。

圖4

圖4.APB信號

AMBA系統

下面的圖5顯示了一個示例AMBA系統，它運行時有兩個AHB主站，一個AHB從站和兩個APB從站。注意AHB仲裁器，AHB解碼器和APB橋的位置。

圖5

圖5.AMBA系統示例。

APB橋接器具有AHB從接口，因此它看起來像是主站的另一個從站。該系統已被簡化，一些信號和次要元件（如復位信號和多路復用器）被移除。輸出信號離開塊的右側，輸入信號進入塊的左側。輸入信號也用箭頭表示。較粗的線表示較大的數據路徑。

該系統在大約七個時鐘周期的過程中對一個APB從設備執行寫操作。AHB是一個流水線總線，具有專用的讀寫路徑，因此讀取可能會在此寫入過程中發生。有關更精確的時序信息，請參閱AMBA標準版本2.0。

AXI-展望未來

最終，AHB達到了性能極限，到2003年ARM已經發布了新一代的AMBA協議。AMBA3.0版引入了AXI協議。AXI代表高級可擴展接口，提供比AHB更高的性能，通過點對點連接方案實現。AXI互連不是使用系統總線，而是僅使用幾個明確定義的接口，允許主站和從站之間的事務處理。

在下一篇AMBA文章中，我們將介紹AXI3和AXI4以及它們如何用于接口SoC組件，敬請關注。

圖6

圖6.AXI互連

結論

在本文中，我們介紹了高級微控制器總線架構或AMBA。AMBA是一個開放標準，概述了SoC上的組件如何以快速有效的方式交換數據。

AMBA已成為事實上的標準，目前正在進行第5次修訂。從修訂版2.0開始，我們查看了AHB，ASB和APB以及它們如何從高級別開始工作。雖然很多這些總線協議已被AMBA的未來修訂所取代，但它們仍然與傳統設計相關，并且可以作為未來學習的基礎。
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