AMBA总线—ahb简介

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AHB概述

AHB(Advanced High-performance Bus)，高性能总线的意思。该总线协议是ARM公司提出的AMBA总线结构之一，主要用于高性能、高时钟频率的系统结构，典型的应用如ARM核与系统内部的高速RAM、NAND FLASH、DMA、Bridge的连接。它支持以下特性：

• Burst传输
• Split事务处理
• 单周期master移交
• 单一时钟沿操作
• 无三态
• 更宽的数据总线配置（64/128）
• 流水线操作
• 可支持多个总线主设备（最多16个）

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AHB协议简介

AHB2 支持多个Bus Master，例如有三个Master，有四个slave，但是同时只有一个Mater可以拿到Bus的访问权。所以，总线的使用权就需要Master去申请，也就需要一个仲裁器（Arbiter）。同时也支持突发传输，分段传输，字节、半字节和字的传输，也可配置总线位宽。

AHB 系统由主模块、从模块和基础结构(Infrastructure)3部分组成，整个AHB总线上的传输都由主模块发出，由从模块负责回应。基础结构则由仲裁器(arbiter)、主模块到从模块的Mux、从模块到主模块的Mux、译码器(decoder)、虚拟从模块(dummy Slave)、虚拟主模块(dummy Master)所组成。其互连结构如下图所示。

AHB2协议要求Slave 的地址空间至少是以1KB为单位，这个要求在AHB-lite也存在。

AHB-lite是AMBA 3，在AHB2的基础上互连逻辑和slave设计上做了简化，为单Bus Master设计的（低端MCU的SoC系统使用的Bus master个数相对比较少）。

当然AHB3系统也是有办法实现支持多个Master的，多个Mater连接到一个MUX输入，slave连接该MUX输出，相当于一个简单的仲裁器。MUX 也可以只连接其中一个Master，这样其他Master就无法访问MUX连接的Slave，相当于该Slave就是连接到MUX上 的Master私有Slave，如下图：

AHB5是AMBA 5，在2015年发布，在AHB-lite的基础上增加功能，支持secure/non-sucure，配合v8系列架构的处理器，引入trustzone机制。

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AHB信号描述

下表给出了AHB的基本信号：

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AHB传输

AHB传输分为以下几个部分：

• 主机获取总线使用权：主机向判决器发送总线请求信号，判决器发送应答后主机可以开始传输
• 数据传输：主机向从机传输数据，分为以下两个部分：
  • 发送地址和控制信号：包括地址，位宽，突发类型（增量突发和回卷突发）等控制信号，仅一个时钟周期
  • 数据传输：进行数据交换，一个或多个时钟周期
• 从机应答：从机通过HRESP和HREADY标记完成状态，对于HRESP，有以下状态：
  • OKAY：标记传输完成，当HRESP为该状态且HREADY拉高时，传输完成
  • ERROR：标记传输出错
  • RETRY和SPLIT：标记传输未完成，主设备仍需要占用总线

关于突发传输，理论上进行突发传输的主设备应当一直占据总线，但是为了缩短等待时间，AHB允许打断突发传输，并在一段时间后重启该突发传输。AHB的基本传输过程由两个部分组成：

• 地址/控制传输：传输地址信息和控制信息，仅占一个时钟周期
• 数据传输：可能需要多个时钟周期，由信号HREADY决定（拉高才结束数据传输）

1. 无等待传输

无等待传输下，一个传输与三个时钟沿有关：

• 第一个时钟沿：第一个时钟沿后，主机将地址信息和控制信息发送到总线上

• 第二个时钟沿：第二个时钟沿上，从机采样主机的地址信息和控制信息。第二个时钟沿后，从机将响应信号和数据发送到总线上

• 第三个时钟沿：主机采样从机响应信号和数据，传输完成

  2. 有等待传输

有等待传输下，数据传输阶段可以扩展，即在HREADY拉高之前，数据传输阶段不结束。要求写数据在HREADY拉高前保持稳定，主机在HREADY拉高后采样读数据

3. 流水线传输

AHB总线支持流水线传输，即将传输分为地址-数据两个部分流水进行，本次传输的地址必然在上一次地址之后，本次传输的数据必定紧跟在本次传输地址之后。因此，当上一次的数据传输阻塞导致传输周期增加时，下一传输的地址周期也会相应的变长：

• A1和C1为第一次传输的地址和控制信号
• WD1和RD1是第一次传输的数据，该传输为单时钟即无阻塞的传输，同时发送的还有下一次传输的地址和控制信号：A2和C2
• 第二次传输为多周期传输，因此WD2和RD2占据多个时钟周期，对应的，同时发送的第三次传输地址和控制信A3和C3也被延迟相同的时钟周期数
• WD3和RD3为第三次传输的数据

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传输类型

传输类型使用端口HTRANS标记，有以下取值：

• IDLE（00）：标志主机占有AHB总线，但是没有数据传输发生。从机需要使用OKAY状态回应该类型
• BUSY（01）：标志主机占有AHB总线并在进行突发传输，但下一个传输不能立刻发生。从机需要使用OKAY状态回应
• NONSEQ（10）：标志主机当前发送的地址和控制信号与上一次传输无关（单次传输就是该状态）
• SEQ（11）：标记主机处于突发传输的中间部分，即当前发送的地址和控制信号与上一次地址和控制信号有关

例子如下图所示：

• 第一次传输，开启一次突发传输，因此该地址与上一次传输无关，使用类型NONSEQ
• 第二次传输，无法立刻进行传输，因此使用BUSY标记延迟一个周期，延迟后可以进行传输，且处于突发传输中，因此地址与上一次地址有关，使用SEQ标记
• 之后均为突发传输，均使用SEQ类型

1. 突发类型

突发传输分为两类：

• 增量突发：传输过程中传输地址递增。下一次传输的地址是上一次地址加上一个增量
• 回卷突发：猝发的地址范围被限制在一个固定范围之内，传输地址递增，若是超出则回到地址范围的开始的地址。例如从0x34进行增量为4，范围为16的回卷突发，地址顺序为0x34、0x38、0x3c，0x30

突发类型使用字段HBURST标记，含义如下表所示：

注意一次突发传输不能跨越1kB的地址区间，且传输的起始地址必须与数据类型对应，例如传输字数据的二进制起始地址必须满足后两位为00。

2. 突发终止

从机通过监控HTRANS发现突发传输的终止：

• 若下一个HTRANS标记为BUSY或SEQ：突发传输未终止
• 若下一个HTRANS标记为NONSEQ或IDLE：上一次突发传输已经终止

若突发传输是提前终止的，如总线控制权被剥夺，那么主机需要在可以进行传输时重建突发传输。例如一个4拍传输仅发送了一拍就终止，主机需要使用INCR类型的突发构建3拍传输以重建。

3. 数据总线

当传输位宽不同时，数据总线的使用情况如下所示（小端传输）：