（计算机软件与理论专业论文）家庭网络核心soc平台——基于amba的soc通信架构研究.pdf

y 7 3 8 6 0 8 摘要 随着i c 制造工艺的快速发展，在单芯片上i ，以实现完整的系统功能， s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 时代已经来l 。由于传统的设计方法不能够满足c 设计的需 要，凶此软硬什协同设计和ip ( in t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 复用技术成为加速s o c 没引的关键技术。片上总线( o nc h ipb u s ) 是s o c 系统连接i p 核，有效实现系统 部件之问通信的主要手段。 本文所涉及的研究工作是固家“8 6 3 计划”s o c 专项“家庭网络核心s o c 平台 解决方案”的子课题。存“家庭网络核心s o c 平台解决方案”中，整个家庭网络控 制及日联网络接入等各项功能集成存中一芯片上。为了实i 见系统部件阳j 的宵效通信， 满足系统的各项指标要求，鉴十a m b a 总线架构具有适i l j 于高性能s o c 系统的诸多优 点及其作为受到业界广泛支持的工业标准，本课题组选择a m b a ( a d w m c e d m i c r o c 0 1 - i t r o l l o rb u sa r c h i t e c t l i f e ) 协议作为家庭网络核心平台的片h 总线标准， 设计实现基于a m b a 标准的s o c 系统总线。 由于s o c 通佶架构的选择关系到系统的整体性能，闳此本文从拓扑和通信1 办议 角度介绍r 儿种常见的通信架构模犁，并从结构、叫钟、传输属性以及仲裁策略等 方而刘片j 二总线架构的分类标准和性能指标进行了分析比较。 a m b a 协议为多层总线结构，目i u 包括p 忡| 不同的总线a s b ( k d v a n c e ds y s l e d b u s ) 、a i i b ( a d v a n c e dh i g h p e tf o f l l k t i c ob u s ) 、a 【b ( a d v a n c e dp e r ip h e r a lb u s ) 、 a x i ( a d v a n c e de x t e n s j ) l eln t o r f ( i c e ) 。本文着重对广泛使用的a h b 总线的互连结 构、传输属性以及内部仲裁控制逻车日策略等进行较为详细的介绍。对复杂系统设计 中a h b 总线的变形结卡勾m u l t ia h b 和& f i bl i t e 的应用进行较深入的研究，并针刘家 庭网天环境对岛带宽和实时性的要求提出了a h b 总线的可编程仲裁解决方案。 在刈a m b a 总线协议进行深入研究的基础上，采用自上而卜的软硬件f j 同设计 力法，利用系统级建模语言s y s t e m c 对a m b a 总线进行系统级建模；遵循可复用i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核j 1 ：发流程，使用v h d i 。对a m b a 总线部什及控制逻辑如 仲裁器、解码器等进行r t l 级设汁，在x i l i n xi s e 和m n d e l s i i l lu d al 俱环境f x ? 总线设训进行综合仿真，通过f p g a 丌发板r ：具对设计进行验证，最后生成i p 软核。 本文所完成的a m b a 总线部件的设计以i p 软核形j 出现，可怍为家庭网络s o c 甲台的片内通信架构，也可以作为基rs o c 的i p 核的功能币确性与完整性的调试、 验证平台，同时可以支 , l j x , l - 其功能进行灵活修改以便在类似s o c 没计中复用。 最后对本文的工作进行了总结并h 对研究前景进行了展望。 关键词：j ；上系统：家庭网络核心s o c 平台；a m b a ：片上总线：i p a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs i l i c o nt e c h n o l o g y , a l lt h ef u n c t i o n so fas y s t e mn o w c a l lb ci n t e g r a t e do n t oa s i n g l ec h i p ，t i m eo fs o c ( s y s t e mo nc h i p ) c o m e s a st h e t r a d i t i o n a li cd e s i g n t e c h n o l o g y c a nn o t s a t i s f y t h es o cd e s i g n r e q u i r e m e n t ，1 p r i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) r e u s e a n dh a r d w a r e s o f l w a r e e o d c s i g n a r ei n t r o d u c e dt o a c c e l e r a t es o cd e s i g n a n do c b ( o n c h i pb u s ) i sm o s to f t e nu s e dt e c h n i q u ef o rs o c c o m m u n i c a t i o na n di pc o r e sc o n n e c t i o n t h i s p a p e rc o m e sf r o m “s o cp l a t f o r mo fh o m en e t w o r k i n gc e n t e r ( s c p h n c ) ”， w h i c hi ss u p p o r t e db y8 6 3p r o j e c t s i nt h es c p i i n c ，a l lt h ef u n c t i o n so fh o m eg a t e w a y c o n t r o la r ei n t e g r a t e do n t oa s i n g l ec h i p i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e ， s a r i s f ys y s t e mr e q u i r e m e n tf o rh i g hb a n d w i d t h sa n dh i g he f f i c i e n tc o m m u n i c a t i o na m o n g s y s t e mc o m p o n e n t s ，t h i sp a p e r c h o o s e a m b a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i l e c t u r e ) w h i c h i sa p p r o p r i a t ef o rh i g hp e r f o r m a n c es o cc o n n e c t i o na n di ss u p p o r t e d a st h ei n d u s t r ys t a n d a r d ，a so u ro n c h i pb u s b e c a u s es o cc o m n l u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ec a nh i g h l ya f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ， h i g hl e v e lm o d e lo fs o m ec o m l n o n l yu s e dc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e sw h i c ht a k ei n t o a c c o u n t k e ya r c h i t e c t u r a lf e a t u r e si n c l u d i n gt o p o l o g i e sa n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ss u c h a st h es t r u c t u r e ，c l o c k ，t r a n s f e r p r o p e r t i e sa n da r b i t r a t i o n ，a r ep r e s e n t e d i nt h i s p a p e r p e r f o r m a n c ea n dc l a s s i f i c a t i o no f0 1 1c h i pb u sa r ea l s od i s c u s s e d a m b aw h i c hi sah i e r a r c h i c a lb u sp r o t o c o li n c l u d e sf o u rd i f f e r e n tb u s e sa sa s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) ，a h b ( a d v a n c e dh i g h - p e r f o r m a n c eb u s ) ，a p b ( a d v a n c e d p e r i p h e r a lb u s la n da x i ( a d v a n c e de x t e n s i b l ei n t e r f a c e ) t h i sp a p e rf o c u so na h b w h i c hi s w i d e l yu s e d a st h eb a c k b o n eb u so fi t si n t e r c o n n e c t i o ns t r u c t u r e t r a n s f e r p r o p e r t i e s ，a n dc o n t r o ll o g i c ss u c ha sa r b i t e ld e c o d e ra n ds oo n ，a n dw ea l s oi n t r o d u c e d a x lw h i c hc a m eo u t r e c e n t l ya b o u ti l sn e w f e a t u r e sf o rh i g hp e r f o r m a n c e s y s t e m t h i sp a p e rh a sas t u d yo nt h ea p p l i c a t i o nf o rm u l t i - a h ba n da h b - l i f ei n c o m p l e x s y s t e m s a n d p r o p o s e s ar e s o l u t i o nf o r p r o g r a m m a b l e a r b i t r a t i o n l o g i c t o s a t i s f y t h e s y s t e mr e q u i r e m e n t sf o rr e a lt i m ec o n t r o la n dh i g hb a n d w i d t hd a t at r a n s f e ri ns c p h n c a f t e ra d e e ps t u d y o na m b a p r o t o c o l ，w i t h t h e t o p d o w n h a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g np r o c e s s ，s y s t e m cw h i c hi s a m o d e l i n gl a n g u a g e i su s e dt oh a v eas y s t e m m o d e l i n g o ft h ea m b a c o m p o n e n t s a n dv h d lw h i c hi s ah a r d w a r e d e s c r i p t i o n l a n g u a g ei su s e d t oh a v ear t l d e s i g no ft h eb u sc o m p o n e n t ss u c ha sa r b i t e r , d e c o d e rc t c a n dx i l i n xi s e ，m o d e l s i mi so u rc o m p i l a t i o n ，s i m u l a t i o na n ds y n t h e s i sc i r c u m s t a n c e s ， f p g aw h i c hi n t e g r a t ea r m sp r o c e s s o ri su s e da so u rt e s tb e n c h t h ec o m p o n e n t so f a m b ai s d e s i g n e d a si pc o r e s ，a n dc a nb er e u s e di ns i m i l a rs o cc o n s t r u c t i o nw i t h s h o r t e nt i m e t o m a r k e t ，o ru s e dt ov e r i f yi pc o r e st h a tw i l lb ec o n n e c t e dt ot h es y s t e m f i n a l l y , s u m m a r i z a t i o na b o u tt h i sp a p e r i sg i v e na n dt h es t u d y p r o s p e c t sa r cd i s c u s s e d k e yw o r d s ：s o c ；s c p h n c ；a m b a ；o n - c h i pb u s ；i p 第一章引言 1 1 研究背景与意义 第一章引言 本课题来源于国家8 6 3 项目“家庭网络核心s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 平台解决方 案”。家庭网络( h o m en e t w o r k i n g ) 是信息社会的基本单元，家庭网络技术是处 理、管理、传输以及存储信息实现家庭中多种计算、控制、监控和通信设备连接与 集成的要素集合。家庭网络核心s o c 平台实现的主要目标是在单芯片上集成家庭网 关的功能，实现对家庭网络通信的集中控制。 根据d a t a q u e s t 的定义，s o c 是在单一芯片上实现功能的系统级集成 ( s y s t e m l e v e li n t e g r a t i o n ；s l i ) ，其内容必须包含运算功能( 如微处理器 m p u 、数字信号处理器d s p ) 、内存( m e m o r y ) 及逻辑电路( l o g i cc i r c u i t ) 。 般而言，s o c 即是将一个终端产品( 或称系统) 的主要功能集成进单一芯片，此单 芯片因此可被视为足以包含一个完整功能的系统，便可称此种芯片为s o c 。 s o c 将为系统产品带来以下几个好处：1 由于将外部信号转变成芯片的内部 信号，不但缩短传输距离，亦可大幅增加信号传输频宽及速度，进而使产品性能大 幅提升。2 系统产品所须组件数大幅减少，面积及体积亦随之缩小，可满足轻薄 短小的需求，亦可降低整体成本。3 原本消耗于各i c 组件间的外部信号传递的电 能将大幅减少，故可达省电的功效。 随着半导体制造的快速演进，单一芯片所能容纳晶体管数目已经超过千万颗以 上，这意味着许多系统产品已可被轻意地集成并实现于单芯片，并且满足系统产 品对轻薄短小、低耗电、低价格及高性能要求，s o c 的时代已确定来临并伴随着对 设计技术的挑战。根据摩尔定律，每1 8 个月晶体管数加倍的理论下，半导体制造 技术以相当于每年5 8 的速度进步，而每年芯片设计生产力的进步却只有1 5 1 8 ，因此在不增加人力的情况下，只有采取系统化的设计，以重复使用i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 的方式才能不断地提高生产力，缩短芯片设计速度与 制造技术之问的差距。 s o c 的设计过程中，由于i p 核的设计千差万别，i p 核的高效的互联与通信就 成为构造s o c 系统的关键。而片上总线( o n c h i pb u s ，o c b ) “1 是实现s o c 中i p 核连接最常见的技术手段，它通过总线的方式实现系统部件之间的信息通信，是基 于i p 复用的s o c 设计的一个关键技术。 a m b a 是片上总线既定的开放标准”1 ，用来描述在s o c 中各个功能模块之间的连 青岛大学硕士学位论文 接关系和管理，它是有效连接i p 核的“数字胶”，并且是a r m 复用策略的重要组 件。a m b a 标准已经成为行业广泛接受的s o c 互联标准，其中包括9 0 的a r m 合作伙 伴和许多非a r m 合作伙伴。该标准被超过4 0 0 0 人次的设计工程师下载并应用到更 多a s i c 设计中去。a m b a 拥有广泛第三方i p 支持和来自许多e d a 提供商的e d a 工 具支持，因此它能为高级系统的接口设计提供理想的解决方案。由于a m b a 接口是 独立于处理器和技术之外的，因而能够广泛提高外设和系统宏单元的可复用性。 在国家“8 6 3 ”课题家庭网络核心s o c 平台及整体解决方案中，片上总线 的选用涉及到整个平台的可扩展性及健壮性，在经过对现有总线方案进行充分的研 究论证，考虑到家庭网关的特定环境，即所连接的大多数外围设备为低功耗网络设 备，具有简洁的设计要求，并由于a m b a 总线标准以上的优越性能以及业界所获得 的广泛支持，因此家庭网络s o c 核心平台解决方案中采用a r m 3 2 位微处理器作为中 央处理单元，采用a m b a 片上总线标准作为s o c 片内通信架构和连接外围i p 核的 接口标准由于上述原因，因此对基于a m b a 总线的s o c 互联架构以及基于a m b a 协 议的i p 核开发流程予以研究具有较高的现实意义与产业价值。 1 2 国内外研究动态 片上总线( o n c h i pb u s ，o c b ) 是实现s o c 中i p 核连接最常见的技术手段， 它通过总线的方式实现系统部件设备之间的数据通信，是基于i p 复用的s o c 设计 的关键技术。国际上，许多大的半导体公司和标准化组织近些年来不断的尝试建立 统一的片上总线标准和i p 接口标准。比较成熟的片上总线结构有s 订i c o i l 的 w i s h b o n e 总线、a r m 公司的a m b a 总线、i b m 公司提出的c o r e c o n n e c t 等。 1 2 is o ob u s 标准接口 在软硬件系统中进行模块设计时的一种重要方法是使用统一的通信接口来改进 模块的设计，使得模块可以容易同其他系统部件进行连接。使用标准的接口具有很 多优势：( 1 ) 将模块开发者从对模块将来要集成到的环境的设想中解放出来；( 2 ) 在设计新型通信架构时不会受限于需要支持的s o c 部件的具体规格( 设计) 要求。 1 2 1 1o o p i p 的o c p o c p ”1 ( o p e nc o r ep r o t o c 0 1 ) 是基于定义一套完整通用i p 核插座接口标准的 互连方案，通过定义i p 核与对应接口模块间点到点的接口信号协议，如数据信 号、边带信号和测试信号等，来实现i p 核的可重用、即插即用、认证及测试，及 不同i p 核接口的集成，点到点的接口方式简单且可完成数据的高速传输。对连接 第一章引言 各接口模块的片上互连总线形式，o c p 未作定义，由用户来扩展。o c p 的i p 核互 连结构图如下： 图1 1o c p 的i p 核互连结构 1 2 1 2v s i a 的v c l v s i a ”1 的( v i r t u a lc o m p o n e n ti n t e r f a c e ) 同o c p 相仿，也通过定义i p 核的 接口及点对点的方式来实现不同i p 核的互连。o c p 对接口定义更为完整，并且兼 容v s i a ，可以认为v s i a 是o c p 的一个子集。两个v c i 通过总线互连的逻辑结构示 意如下： 1 2 2 常见片上总线标准 1 2 2 1c o r e c o n n e c t 图1 2v c i 总线互连的逻辑结构 c o r e c o n n e c t ”1 是由i b m 开发的片上总线通信链，它使多个i p 核互连成为一个 功能完整的芯片成为可能。c o r e c o n n e c t 总线架构包括处理器局部总线( p l b ) ，片 上外围总线( o p b ) ，1 个总线桥，2 个仲裁器，以及1 个设备控制寄存器( d c r ) 总 青岛大学硕士学位论文 线。 图1 3c o r e c o n n e c t 总线逻辑结构 片上外设总线( o p b ) ：内核通过片上外设总线( o p b ) 来访问低速和低性能的 系统资源。o p b 是种完全同步总线，它的功能处于一个单独的总线层级。它不是 直接连接到处理器内核的。o p b 接口提供分离的3 2 位地址总线和3 2 位数据总线。 处理器内核可以借助“p l bt oo p b ”桥，通过o p b 访问从外设。作为o p b 总线控制 器的外设可以借助“o p bt op l b ”桥，通过p l b 访嗣存储器。 处理器局部总线( p l b ) ：p l b 接口为指令和数据一侧提供独立的3 2 位地址和6 4 位数据总线。p l b 支持具有p l b 总线接口的主机和从机通过p l b 信号连接来进行读 写数据的传输。总线架构支持多主从设备。每一个p l b 主机通过独立的地址总线、 读数据总线和写数据总线与p l b 连接。p l b 从机通过共享但分离的地址总线、读数 据总线和写数据总线与p l b 连接，对于每一个数据总线都有一个复杂的传输控制和 状态信号。为了允许主机通过竞争来获得总线的所有权，有一个中央仲裁机构来授 权对p l b 的访问。 设备控制寄存器总线( d c r ) ：设备控制寄存器总线( d c r ) 是为在c p u 通用寄 存器( g p r s ) 和d c r 的从逻辑设备控制寄存器( d c r s ) 之间传输数据而设计的。 1 2 1 2s iij c o p o 的w is h b o n e 总线 w i s h b o n e 采用的是主从的构架，主、从部件通过内部网络进行互连。 w is h b o n e 更着重了定义i p 核的接口信号和总线周期标准以实现i p 核的重用，而 对主从部件的互连，它只是定义了点到点( p o i n t t o p o i n t ) 、数据流( d a t a f lo w ) 、共享总线( s h a r e db u s ) 、交叉开关( c r o s s b a rs w i t c h ) 四种不同形式， 需由用户来灵活选择、生成、扩展，用户还可用两条w i s h b o n e 总线进行复杂系统 的集成。w i s h b o n e ”3 逻辑结构如下： 4 第一章引言 1 2 1 4a i t e r aa v a f o n 总线 图1 4w i s h b o n e 总线结构 a v a l o n 。1 总线是a 1t e r a 可编程片上系统s o p c ( s y s t e m o n a p r o g r a m m a b l e c h i p ) i p 核互连解决方案，由s o p cb u i i d e r 来完成整个系统模块( 包括 a v a l o n ) 的生成和集成。 图1 5a v a l o n 总线模块逻辑 a v a l o n 总线模块完成了整个可编程系统片上部件及外设之间互连，包括了控 制、数据、地址信号及总线的仲裁。a v a l o n 总线模块的一个逻辑示例如上图： a v a l o n 采用了开关结构及从属部件仲裁方式提供多对主部件的同时互连，外 部件与a v a l o n 时钟同步操作，使用非三态总线，主、从部件间多种带宽互连，支 持数据流传输。a v a l o n 同时对总线信号的定时、主从部件传输的信号作了定义以 便于不同i p 核的集成。 5 青岛大学硕士学位论文 1 2 1 5a m b a 总线 a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r 0 11 e rb u sa r c h it e c t u r e ) 总线规范是a r m 公司 设讨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。a m b a 总线规范是一个开放标 准，可免费从a r m 获得。目前，a m b a 拥有众多第三方支持，被a r m 公司9 0 以上 的合作伙伴采用，在基于a r m 处理器内核的s o c 设计中，已经成为广泛支持的现有 互联标准之一。 丽盖显i皇要_ l 宁_ l 丽i 塑塑i 圈皇羞j l 塞黧剿惯激滋 图1 6 典型的基于a m b a 的s o c 架构 典型的基于a m b a 的s o c 核心部分如图1 6 所示。其中高性能系统总线( a i i b 或a s b ) 主要用以满足c p u 和存储器之间的带宽要求。c p u 、片内存储器和d m a 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 p b 上。系统总线和外设总线之间用一个桥接器( a h b a s ba p b b r i d g e ) 进行连接。 1 2 38 0 0b u s 系统工具 s y n o p s y s 的c o n c e n t r jc 系统开发平台 c o c e n t r i c 包括s y s t e m c 仿真器以及硬件架构和软件算法的一个规格环境， 它采用的总线架构解决方案为：d e s i g n w a r ea m b ai p 模块+ a r m 处理器。 m e n t o rg r a p h i c s 的p 1 a t f o r me x p r e s s p l a t f o r me x p r e s s 包含构建s o c 系统的一套i p 模块和总线集成工具，其中通 过将i 。jb r a r y 组件以拖、拉的形式来组合i p 模块。平台目前提供对a m b aa n d c o r e c o n n e c t 的支持。 1 3 本文技术路线 基于深亚微米的s o c 技术的不断成熟，使得传统的i c 设计方法已经不能够满 足需要，因此基于i p 复用1 ”1 的软硬件设计方法成为s o c 设计的丰流。定向应用， 专fj 工具，专门的生产工艺以及i p 库的建设和共享成为一种规范贯穿在系统设计 中的完整过程。因此本文采用软硬件协同设计方法，以i p 库和e d a 工具作为支持 第一章引言 平台完成基于a m b a 协议s o c 片上互连部件的设计过程“。 片上总线部件的软硬件设计过程包括系统级建模、系统描述语言，软硬件划 分，协同综合，协同仿真，协同验证，从给定的系统任务，通过有效的分析系统任 务和所需要的资源，采用一系列的变换方法并遵从特定的准则，完成符合系统功能 的设计要求。 本论文采用自顶向下的设计方法，利用s y s t e m c 语言对系统功能进行建模， 使用硬件描述语言v n ) l 从较高层次( r t l ) 对总线部件进行描述，经过综合仿真， 完成设计的基本功能检查，然后对设计文件进行综合与优化，在综合工具下完成模 块级的静态时序分析与处理。在仿真综合无误的情况下，在x i l i n x 的f p g a 上进行 测试验证，将a m b a 总线部件设计为i p 软核形式以便在今后的设计中重用并可以用 于验证挂接到系统的i p 核的功能完整性与正确性。 1 4 本文完成的目标与内容 本文的主要工作之一是对基于片上总线的s o c 互连方案进行分析，重点围绕着 a m b a 片上总线协议中总线的结构、传输以及仲裁等各种属性，以及不同环境中的 应用方案进行研究，为家庭网络核心s o c 平台选择合适的总线互连结构；并研究基 于a m b a 总线协议的i p 开发流程以及i p 模块的集成技术。具体内容如下： 介绍以a r m 微处理器“”为核心的家庭网络核心s o c 平台的互连架构，并对系统 功能部件进行基于总线的划分。 总结分析了当前各种s o c 通信架构模型及其分类与性能标准。 重点介绍了a m b a 总线协议，对a h b 总线、a p b 总线、a x i 总线标准进行了比 较分析，描述了a h b 总线的结构，传输属性，总线仲裁方式及其设计。 叙述了在复杂系统互连中的a h b 总线的解决方案，对a h b 总线的不同变形的应 用情况予以研究，并提出高带宽要求下s o c 总线可编程控制逻辑设计方案。 利用系统建模语言进行总线系统的设计及硬件描述语言完成与实现总线仲裁 器、解码器等控制逻辑的r t l 级描述。 建立软硬件仿真验证环境，给出基于a m b a 总线的i p 模块的设计流程，掌握基 于a m b a 总线的i p 核开发技术。 第二章s o c 通信架构研究 第二章s o c 通信互连架构研究 s o c 系统给嵌入式系统设计带来了新的机会来促进系统设计能力，包括性能， 成本，尺寸大小，功耗以及设计周期等。s o c 设计应当满足两个要求。首先是将计 算需求有效的映射为高性能的计算单元，如c p u ，d s p ，定制逻辑模块等；其次是选 择一个能够提供合适的高速片内通信机制的系统架构。因为随着不断增加的异构部 件来实现系统的计算功能导致片内通信负载的容量和密度过重，因此有必要选择适 合的通信架构以满足应用的需要。总线架构及互连技术直接影响芯片的总体性能， 对于单一应用领域，可选用成熟的总线架构；对于系列化或综合性能要求很高的， 可进行深入的体系结构研究，构建颇具特色的总架构，做精做强，不受制于第三 方，且更具竞争力。 2 1s o c 片内通信架构设计 s o c 系统通信架构是影响s o c 系统性能的重要因素，不同的通信架构通常由以 下几种因素来进行划分“： 1 选择合适的拓扑结构：拓扑结构典型的包括几种共享或者是专门的通信通道 ( 总线) ，不同的s o c 系统部件通过这些通道进行连接。这些部件中，可以初 始化一次通信过程的部件称之为m a s t e r ( 主控) ，常见的主控包括c p u 、d s p 、 d m a 控制器等；而那些进被动的响应m a s t e r 所发起的一次事务的部件称之为 s l a v e ( 从属) ，例如片上存储单元，各种外围设备等等。在总线的分层结构 中，两条或多条总线通h r i d g e 进行连接，如果每条总线访问的资源在其他总 线上，总线就可以独立的将数据传送到尽可能远的目标位置；同样一条总线也 可以作为另一总线的从模块进行工作，从属总线将会保持空闲状态直到此总线 被访问。a m b a 总线就采用这种模型作为s o c 互连通信( 两线中间有桥连接) 的基 本结构。 2 通信协议的选择：通信协议决定了每个通道通信的确切方式，包括具体的握手 机制、迸发传输模式以及字节存放顺序等等。而且共享总线还应具有管理多个 主控访问的机制，当多个设备均想使用共用资源( 如共享总线或一个共用存储 器) 时会出现竞争，仲裁管理是有效解决竞争的手段，广泛使用的包括公平访 问、优先权访问、时分多路访问和集中或分布式总线仲裁管理等。在分布式仲 裁结构中，每个设备通过查询共享资源的状态决定自己访问总线时机，这种方 法不需专门的请求和应答信号，所以此类仲裁器的等待时间少，但硬件要求比 较高。所以目前的总线多采用集中式仲裁法。 8 青岛大学硕士学位论文 3 通信架构的参数的规定：定义了包括通道的一些重要属性和一些相关的协议 ( 如总线宽度，迸发传输大小，优先权等) 。 4 重构性：因为s o c 系统对通信方式要求的动态变化性使静态的仲裁不能完全满 足需要，所以就需要使系统中模块的通信系统的时间要求合理配置，配置时须 定义优先级、t d m a 参数和各模块使用总线资源的最长服务时间。因此如何配置 通信系统就成为怎样更好的接受现有设备的总线资源需求。然而，实现动态重 构的设计相当复杂，并且需要更多的硬件还需要在硅片面积和性能之间要做出 取舍。目前有c o r e c o n n e c t 总线支持动态重构。 5 另外一个重要的因素是各总线的时钟频率，在特定处理器技术下，时钟频率依 赖于接口逻辑的复杂程度、部件的布局以及连线的物理特征和走线等因素。如 果所有数据传输均由同一个时钟信号控制，则此通讯系统称为同步电路，在这 样的系统中，时钟延迟保持在可接受范围内是非常关键的。异步传输中信号通 过使用握手信号克服了这个问题。绝大多数的片上系统总线都用一个全局时钟 来同步传输，但是m a r b l e 总线也是常用的异步系统总线。有些同步总线如 v c i 、w i s h b o n e 总线也允许不同频率的时钟电路块的集成；采用局部时钟同 步、全局时钟异步的方法，可以允许不同频率的时钟集成在一起，这样可以将 由于时钟而引起的功耗被降到最低。在同步系统中，当工作单元速度较快时， 握手信号不增加传输延时，假如慢速外设参与了传输，则使用等待信号使传输 延迟几个时钟周期。 下面图“3 。中所示为常见的几种片上总线标准的基本属性的列表，这些片上总线 标准的大多数特征相近，但是也略有差别，下图是对此予以比较的结果，使用首字 母指示总线支持何种属性，其中n a 表示此属性未明确定义，表示此属性被支 持： 9 第二章s o c 通信架构研究 图2 1 几种总线的基本属性比较 2 2 常见的s o c 系统通信架构模型 下面介绍常见的总线通信架构，这几种架构模型及其变形广泛应用于目前流行 的总线结构中，随着总线技术的不断发展，通信架构模型将会继续得到发展，并且 不同的通信架构具有不同的通信效率，适用于不同的具体环境。 2 2 1 具有静态优先级的共享总线 基于静态优先级的仲裁协议系统总线广泛用于片上总线架构。此类总线是地 址，数据和控制线的集合，被主控单元们所共享，并且这些主控单元之间竞争对从 属单元s l a v e s 的访问。总线同样支持数据传输的迸发模式，m a s t e r 同仲裁器进行 协商在总线上发送或接收多字长的数据，这样可以避免每个字传输中的过多的握手 丌销。表征此类架构的参数有最大迸发长度，总线宽度( 字节数字) ，操作的频率 以及每个从属相关的地址空间。 2 2 2 分层结构总线 分层总线架构包括多个总线，总线之间通过b r i d g e 进行互连。例如一个两层 1 0 青岛大学硕士学位论文 总线结构通过一个b r i d g e 进行连接。每条总线上实现一个基于静态优先级的协 议，每条总线连接多个m a s t e r 和多个s l a v e ，以及一个仲裁器接口和一个b r i d g e 接口。b r i d g e 接口需要同时支持m a s t e r 和s l a v e 接口，执行由任何一条总线上的 m a s t e r 发起的数据传输。这个过程是通过激活位于发起这次事务的总线上的 b r i d g e 的s l a v e 接口，以及这次事务目标总线上b r i d g e 的m a s t e r 接口来实现 的。通过b r i d g e 进行的事务需要定的资源开销，并且在传输期间，双方总线对 其余的部件都是不可访问的。然而，多字长通信可以以流水线的方式在b r i d g e 上 进行。 这种架构的参数包括前面提到的共享总线的参数，并且同每条总线相关。优先 权决定b r i d g e 的m a s t e r 接口的访问权限，并且地址空间分配标志了他的从属接 口。在这种架构中，关键的特征是总线具有较短的长度，具有较少部件的容量负 载。因此，在相同的条件下，每条总线相比于共享总线，可以在更高的时钟频率下 工作。同样，两条总线上可以运行并行事务。 2 2 3 基于t d m a 的两层总线结构 本文这里考虑的第三种通信架构是基于时分多路的，这里的拓扑结构仍然是共 享总线。所有的部件都连接到相同的通信通道。然而在这种架构中，通过使用两层 仲裁协议，部件以一种相间隔的方式提供对通信通道的访问。其中第一层仲裁使用 时间轮，时间轮中每个槽位被保留给个特定的主控单元。在时间轮的单独一次旋 转过程中，保有超过一个槽位以上的主控单元便可以潜在的多次访问通道。如果关 联到当前槽位的主控接口具有一个o u t s t a n d i n g ( 真正) 请求，则允许一个单字传 输，并且时分轮旋转一个槽。 为了减少浪费槽的问题( 这是基于t d m a 方法固有的) ，需要第二层仲裁的支 持。方法是通过第二层仲裁跟踪最后授权访问的m a s t e r 接口，并按照公平仲裁的 方式对下一个请求的m a s t e r 进行访问授权，当目前的槽保留给m l 但是它并无需要 传输的数据时，那么第二层总线仲裁将会以一种公平的方式在剩余的主控单元请求 之间进行分配。在这种方式下只要有一个确定的总线请求，槽位就不会被浪费在 这种通信架构中的参数包括时间轮的槽位数目，以及他们在主控单元中的分配( 可 以用来为特定的部件分配受保障的总线带宽) 。 2 2 4 基于令牌环的通信架构 最后本文考虑是基于令牌环的通信架构，令牌环传递协议通常用于局域网通信 中以及高速a t m 交换机“”中，它具有的高时钟频率的特点使其成为对传统总线架构 非常吸力的替代方案。令牌环结构同样是共享总线的一种特别应用形式，在这种通 1 1 第二章s o c 通信架构研究 信架构中，一段专门的数据段被令牌环上的每一个接口认可为令牌( t o k e n ) ，获得 令牌的接口可以发起一次传输，如果没有需要传输的数据，则令牌前进到下个相 邻的接口，如果有数据需要发送，则将数据每个周期一次写到环上，并保持固定的 环周期。当这次事务完成时，则释放令牌。令牌环架构一个重要的参数是每个接口 持有令牌的最大时间。 2 3 总线架构- 性能衡量指标 衡量性能的最常用参数是数据传送速率，定义为单位时间内传送数据的多少， 数据传送速率的单位是m b s 。在现有的公布数据一般是理论峰值，在具体实现中 较难达到这么高的传输速率。 另一个重要的参数是传输时问，它衡量数据需花多少时间到达目的地。有时传 输时问甚至可达几个时钟周期，这样就可用流水线技术来保持高的数据传送速率。 在分时互连中，获取数据时的竞争现象会使传输时间增加，这时较好的办法是测量 最坏情况下的平均传输时间，当这个平均传输时间确定以后，就使得一个实时系统 成为可能。 2 4 家庭网络s o c 平台的片内通信架构选择 高速芯片需要采用较宽的、高性能的总线结构，低功耗目标的芯片需要采用较 窄的、低速的总线结构。在设计s o c 系统时，一般会根据嵌入式微处理器选择片上 总线。一方面，不同的微处理器能够选用的片上总线不同，另一方面针对微处理器 的不同应用领域，片上总线的设计实现也存在功能和性能上的差异。 适合于家庭网关的总线规格属于片上总线的范畴，其应当具备的特性包括：支 撑家庭网络各种外围设备的连接，其中包括数据传输与控制。减少整个系统的功 耗，减少系统的连接的延迟，降低系统设计的复杂性，增强系统扩展的可伸缩性。 在国家“8 6 3 ”课题家庭网络核心s o c 平台及整体解决方案中，片上总线的选 用涉及到整个平台的可扩展性及健壮性，在经过对现有总线方案进行充分的研究论 证，考虑到家庭网关的特定环境，即所连接的大多数外围设备为低功耗网络设备， 具有简洁的设计要求，并由于a m b a 总线标准得到业界广泛的支持及其优良特性， 因此采用遵循a m b a 规范作为家庭网络s o c 核心平台的片上总线，并采用a r m 3 2 位 微处理器作为中央处理单元，外围网络设备集中于a p b 总线之上，并且a p b 桥是总 线上唯一可以启动次传输的主控单元，并且为了满足高带宽的高性能的数据传输 要求，可以将具有高数据吞吐量的网络访问设备如家庭电视等使其位于家庭网关的 青岛大学硕士学位论文 a h b 总线之上。图2 2 为s o c 系统互连模型示意图。 图2 2 家庭网关s o c 系统互连的架构 第三章a m b a 总线研究 3 1a m b a 概述 第三章a m b a 总线研究 a y , b a 协议为多层总线结构，目前包括四种不同的总线a s b ( a d v a n c e ds y s t e m b u s ) 、a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ) 、a p b ( a d v a n c e dp e r i p h