AMBA总线中APB slave设计介绍

上篇文章给大家介绍了APB协议相关的知识点，本篇文章通过一个实际的APB slave的设计帮助大家巩固对APB的掌握。

APB slave设计Spec

其框图如上图所示，这里提一嘴，大家在做数字IC设计的时候，都应该像这样规划好各个模块的连接关系，确定好以后再写代码。该模块是一个基于APB协议完成寄存器配置或读取的设计实例。设计相对比较简单，但不失为一个很好的学习资料。

上面APB相关的信号都介绍过，这里不再重复介绍，其中的ECOREVNUM的意思是ECO revision number，如果没有用到ARM的ECO的话，将该信号固定为全0即可。

右边这个slave_reg实际上就对应我们自己设计的IP的寄存器配置部分。这一部分的接口是native interface，也就是没有考虑通用性的原生接口。想要通过APB总线对其进行配置，就需要通过slave_interface这个模块进行协议转换，进而完成APB协议的传输。我们经常能够看到的apb2reg模块，实际上也是做了这件事。该APB slave有以下的特点：

• 不支持反压
• 不支持错误传输
• 支持4个RW类型的寄存器
• 支持12个RO类型寄存器
• 支持字节选通信号

APB slave设计代码

apb_slave_interface代码

下面是slave_interface的关键代码逻辑。我们对其进行分析：

• 首先由于不支持反压和错误传输，因此将pready固定为1，pslverr固定为0。
• APB传输进来的paddr可以直接赋给addr，作为读写的地址。
• read_en需要在psel为1且pwrite为0的时候拉高。这实际上是希望在整个读传输过程中都让read_en信号有效。读者可能就想问了，读应该对应着两个阶段吗？不需要判断吗？实际上读的话，master那边自己控制好就行了，对于slave而言完全可以在第一拍和第二拍都把rdata提供好，这个是没有关系的。
• write_en则对应着setup phase，实际上在这个场景中修改write_en的逻辑让该信号对应着access phase也是可以的，其它的信号直接赋值就可以，应该很好理解。

// APB interface
assign pready = 1'b1; //always ready. Can be customized to support waitstate if required.
assign pslverr = 1'b0; //always OKAY. Can be customized to support error response if required.


// register read and write signal
assign addr = paddr;
assign read_en = psel & (~pwrite); // assert for whole apb read transfer
assign write_en = psel & (~penable) & pwrite; // assert for 1st cycle of write transfer
// It is also possible to change the design to perform the write in the 2nd
// APB cycle. E.g.
// assign write_en = psel & penable & pwrite;
// However, if the design generate waitstate, this expression will result
// in write_en being asserted for multiple cycles.
assign byte_strobe = pstrb;
assign wdata = pwdata;
assign prdata = rdata;

apb_slave_reg代码

其关键逻辑如下所示，我们对其进行分析：

• 首先由于分为RW寄存器和RO寄存器。这里确定写地址是否在规定区间，同时写使能是否有效，以及byte_strobe信号，来决定要不要写，写哪个字节。
• 读的话就比较简单了，当读使能有效，根据地址信号决定rdata。实际上这就是个MUX选择逻辑。根据read_en加地址从多个寄存器的Q端选出某一个来。

// Address decoding for write operations
assign wr_sel[0] = ((addr[(ADDRWIDTH-1):2]==10'b0000000000)&(write_en)) ? 1'b1: 1'b0;
assign wr_sel[1] = ((addr[(ADDRWIDTH-1):2]==10'b0000000001)&(write_en)) ? 1'b1: 1'b0;
assign wr_sel[2] = ((addr[(ADDRWIDTH-1):2]==10'b0000000010)&(write_en)) ? 1'b1: 1'b0;
assign wr_sel[3] = ((addr[(ADDRWIDTH-1):2]==10'b0000000011)&(write_en)) ? 1'b1: 1'b0;
// register write, byte enable
// Data register: data0
always @(posedge pclk or negedge presetn)
begin
if (~presetn)
begin
data0 <= {32{1'b0}}; // Reset data 0 to 0x00000000
end
else if (wr_sel[0])
begin
if (byte_strobe[0])
data0[ 7: 0] <= wdata[ 7: 0];
if (byte_strobe[1])
data0[15: 8] <= wdata[15: 8];
if (byte_strobe[2])
data0[23:16] <= wdata[23:16];
if (byte_strobe[3])
data0[31:24] <= wdata[31:24];
end
end

// register read

always @ (read_en or addr or data0 or data1 or data2 or data3 or ecorevnum)
begin
case (read_en)
1'b1:
begin
if (addr[11:4] == 8'h00) begin
case(addr[3:2])
2'b00: rdata = data0;
2'b01: rdata = data1;
2'b10: rdata = data2;
2'b11: rdata = data3;
default: rdata = {32{1'bx}};
endcase
end
else if (addr[11:6] == 6'h3F) begin
case(addr[5:2])
// Peripheral IDs and Component IDs.
// AHB example slave has part number of 818
4'b0100: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_PID4; // 0xFD0 : PID 4
4'b0101: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_PID5; // 0xFD4 : PID 5
4'b0110: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_PID6; // 0xFD8 : PID 6
4'b0111: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_PID7; // 0xFDC : PID 7
4'b1000: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_PID0; // 0xFE0 : PID 0 APB Example slave part number[7:0]
4'b1001: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_PID1; // 0xFE4 : PID 1 [7:4] jep106_id_3_0. [3:0] part number [11:8]
4'b1010: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_PID2; // 0xFE8 : PID 2 [7:4] revision, [3] jedec_used. [2:0] jep106_id_6_4
4'b1011: rdata ={ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_PID3[31:8], ecorevnum[3:0], 4'h0};
// 0xFEC : PID 3 [7:4] ECO rev number, [3:0] modification number
4'b1100: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_CID0; // 0xFF0 : CID 0
4'b1101: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_CID1; // 0xFF4 : CID 1 PrimeCell class
4'b1110: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_CID2; // 0xFF8 : CID 2
4'b1111: rdata = ARM_CMSDK_APB4_EG_SLAVE_CID3; // 0xFFC : CID 3
// Note : Customer changing the design should modify
// - jep106 value (www.jedec.org)
// - part number (customer define)
// - Optional revision and modification number (e.g. rXpY)
4'b0000, 4'b0001,4'b0010,4'b0011: rdata = {32'h00000000}; // default
default: rdata = {32{1'bx}}; // x propagation
endcase
end
else begin
rdata = {32'h00000000}; // default
end
end
1'b0:
begin
rdata = {32{1'b0}};
end
default:
begin
rdata = {32{1'bx}};
end
endcase
end

APB slave mux设计

这里再给大家介绍一下APB slave mux的概念，如下图所示，基于APB slave mux我们可以快速地将多个apb slave连接在上面。在实际的设计当中都是采用这样的方式，连接多个slave的。一般我们管这种模块叫做interconnect，顾名思义，将不同的模块连接起来。而APB的interconnect只能连接一个master，因此继续管他叫interconnect感觉差了点意思。所以一般就叫它slave mux了。

其逻辑框图如上图所示，非常的简单啊。就是一个master和多个slave，通过这个额外的DECODE4bit进行16选1。其关键代码如下所示

• 根据PSEL是否有效以及DECODE4BIT的值，完成16选1,PSEL0~PSEL15有一个或者0个拉高。
• PREADYm默认为1，当PSEL为1的时候，根据译码结果选择相应的PREADY信号（当端口没有使能的时候en[x] == 0， 对应的PREADYx信号不会被选择）。
• PSLVERR和PRDATA，选中谁就取谁的。

assign PSEL0 = PSEL & dec[ 0] & en[ 0];
assign PSEL1 = PSEL & dec[ 1] & en[ 1];
assign PSEL2 = PSEL & dec[ 2] & en[ 2];
//省略3~15
assign PREADY = ~PSEL |
( dec[ 0] & (PREADY0 | ~en[ 0]) ) |
( dec[ 1] & (PREADY1 | ~en[ 1]) ) |
( dec[ 2] & (PREADY2 | ~en[ 2]) ) |
//省略3~15
assign PSLVERR = ( PSEL0 & PSLVERR0 ) |
( PSEL1 & PSLVERR1 ) |
( PSEL2 & PSLVERR2 ) |
//省略3~15
assign PRDATA = ( {32{PSEL0 }} & PRDATA0 ) |
( {32{PSEL1 }} & PRDATA1 ) |
( {32{PSEL2 }} & PRDATA2 ) |
//省略3~15

这套代码的缺点或者说优点是，它是用组合逻辑做的，逻辑非常的简单。实际上就是多选1，一般来说APB的时钟频率很低，所以增加了一定的组合逻辑级数也不会出现时钟违例。这样做还可以节省一个时钟周期，大家也可以用时序逻辑去做，思路是类似的。还有一个问题就是这个模块没有PENABLE信号，这个其实挺致命，大家可以手动加上，跟PSEL的逻辑基本是一模一样的，非常简单。