聊聊AMBA总线-APB

1 - APB引言：

首先考虑一下以下的场景：

有一个水果店，只卖三种水果，分别是草莓、蓝莓和苹果。水果店按照客人购买量进行 水果的进货 。 厂商根据水果店的要求 ，提供对应数量的水果并 运送到水果店 。

每次交易如下：

水果店根据需求使用****大喇叭广播 自己的订单需求 ，说出想要订货的数量， 对应厂商提供水果上门 ，水果店签收。

使用这条水果运输总线类比AMBA总线的APB****总线：

概念1: 主机（Master）

订单的发起只能由 水果店发起 ,所以水果店在这条水果运输总线里面运输水果占有主动地位。

类比：

在APB总线里面，数据的传输只能由主机发起，其他部分响应主机操作。

概念2：从机（Slave）

当水果店发起订单之后，和订单匹配的厂家需要 提供对应的水果送到水果店 。这里面的厂家 只能根据要求送水果 ，自己不能随便向水果店送水果（没有主动的权限）。

类比：

在APB总线里面，数据的回复由从机完成，从机 只能完成主机发起的操作 ，自己不能发起操作然后完成操作。

概念3：单主机（Single Master）

在这条水果运输总线里面，当前只有一个水果店，也只有这个水果店可以发起订单需求，所以在 这条水果运输总线里面，只有一个主机（按上图来说）。

类比：

在APB总线里面， 有且只有一个主机可以连接到APB总线接口 ，其他的只能连接从机（外设），所以 APB总线只支持单主机模式 。

概念4：总线协议（Bus Protocol）

在这条水果运输总线里面，水果店按照自己的需求，发起订单，厂商提供水果，水果店确认收到 。 这一个完整的流程以及顺序被称为水果总线在传输水果的协议。

类比：

在APB总线里面，主机先发起要访问的外设地址，外设根据要求返回数据，主机收到数据，这一个完整的流程被称为APB总线协议。

所以我们可以根据上面得出 （ 单主机 ） 总线的正式概念 ：

总线是被总线上所有的部件所共享的一组通路（连线），对于单主机来说，如果该主机想要与其中的外设部件进行通信（获得数据），需要将地址（厂商名字）、数据（水果）、命令（进货还是退货）放到总线上，其他的从机部件对总线上的数据进行侦听，检查地址数据和命令的是否与自己相关，然后 相关部件做出响应 。

概念5： 命令总线、数据总线、地址总线

在这条水果运输总线里面，水果店按照自己的需求,使用大喇叭发出进货还是退货（命令）、哪个厂家（地址）、退货的水果或者进货的水果（数据）。

类比：

在APB总线中，有地址线（PADDR），命令线（PWRITE、PENABLE、PESEL）和数据线（PRDATA、PWDATA）。

PS：举的例子和APB不是一一完全对应，但是表达的意思相同

2 - APB总线协议详解：

2-1 APB在SOC内使用的部分：

如图：

CPU ： CPU是操作的发起者，CPU发起读写外设数据的操作。

APB_Interconnect :根据上文所说的总线协议和传输信号的要求，构建出来的设计实体，该实体接收CPU发出的数据和指令，然后广播到每一个外设部件。

**SLAVE：对APB_interconnect输出数据和指令进行响应。

**

Q1 : 是否可以不需要APB_interconnect，APB_Interconect的作用是什么？

如上图，当CPU只有一个外设，那么直接可以和外设相连，不需要APB_Interconect。此时CPU的发出的指令和操作只会发给URT0，不需要地址来仲裁。如下图：

但是当CPU需要连接多个外设的时候（CPU只管发出地址和命令），根据 CPU地址范围分配表 ：

（1）APB_Interconect对每一个外设设置地址，然后APB_Interconect根据CPU发出的地址，选中对应地址的外设，把CPU的地址和指令传输到该外设 [地址路由仲裁]。

结论： 是否需要APB_interconnect根据应用而定 ，如果只是单个的外设连接CPU（很少出现），可以直接连接CPU和外设通过APB总线。不需要APB_Interconect， 但是当外设数目变多 ，自然而然的就引入了 不同外设的区分， 所以当多个外设的时候，需要引入APB_Interconect来做这些相关的处理。

用水果店类比：水果店用大喇叭发出订单，所有的水果厂家进行侦听，然后响应订单，**或者假如水果厂家没有侦听装置，可以在水果店和水果厂家之间加一个Interconect，**这个Interconect的作用是当收到某一个厂家的名字时，根据 厂家名字和地址的关系 ，把需求 单独发送给对应的厂家，专门通知供应厂家 （也就是选中外设）。

2-2 APB总线接口： （AMBA APB 2.0）

系统信号
PCLK
PRESETN
地址总线
PADDR
命令总线
PSELx
PENABLE
PWRITE
数据总线
PRDATA
PWDATA

根据上图，结合之前的类比和概念我们基本就可以知道APB该怎么运行。

2-3 APB Bridge示意接口（APB_Interconect）

根据AMBA APB手册，截取APB Bridge接口：

图左边的接口System Bus Slave Interface，连接APB 主机（即上面的CPU），这个接口也是APB完整的接口，包含上面举例的信号。图右边和左下面的接口连接多个SLAVE， 其中PSELn有多个 ，每个对应不同的SLAVE。其他信号对于SLAVE是一致的，因为PSELn已经可以选中不同的SLAVE来接收传输的共享信号了。

2-4 APB BUS时序图（AMBA APB 2.0手册）

写传输：

如上时序图，主机在T2时刻把所要访问的 地址，命令和数据全部放到APB总线上 ，沿着组成APB的接口的金属线 传播到从机接口处 。在T3时刻， 从机发现自己的PSEL信号为高 ，就知道 主机选择它来处理数据的写操作 ，此时从机内部准备好处理数据的准备动作，在T4时刻，从机 完成总线上数据采样并进行内部数据处理 。

WriteEnable = PSEL & (!PENABLE) & PWRTIE ;
或者
WriteEnable = PSEL & PENABLE & PWRTIE ;


always @ (posedge PCLK or negedge PRESETn)
begin
  if(~PRESETn)
  begin
    reg_paddr  <= 'h0 ;
    reg_pwdata <= 'h0 ;
  end
  else if(WriteEnable)
  bein
    reg_paddr  <= PADDR ;
    reg_pwdata <= PWDATA ;   
  end
end


TODO:
外设内部处理数据

读传输：

如上时序图，主机在T2时刻把所要访问的 地址，命令和数据全部放到APB总线上 ，沿着组成APB的接口的金属线 传播到从机接口处 。在T3时刻， 从机发现自己的PSEL信号为高 ，就知道 主机需要它内部的数据（PWRITE ==0） ，此时从机内部准备好 返回数据并把返回的数据放在数据总线上 ，在T4时刻，主机 完成总线上数据采样得到需要的数据 。

ReadEnable = PSEL & (!PENABLE) & (!PWRTIE)
always @ (posedge PCLK or negedge PRESETn)
begin
  if(~PRESETn)
  begin
    reg_paddr  <= 'h0 ;
    reg_prdata <= 'h0 ;
  end
  else if(ReadEnable)
  bein
    reg_paddr  <= PADDR ;
    reg_prdata <= 外设内部产生的数据 ;   
  end
end
assign PRDATA = reg_prdata ;

2-5 APB BUS的优缺点：

优点：设计简单，时序简单，用在不需要高性能总线的外设上。

**缺点：每个数据的传输都需要两个时钟周期，这样的话，APB BUS满载的带宽也只有50%，带宽利用率不高。

**