AMBA总线协议AHB、APB、AXI对比分析

一、AMBA概述

    AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 高级微处理器总线架构

定义了高性能嵌入式微控制器的通信标准，可以将RISC处理器（精简指令集处理器）集成在其他IP芯核和外设中，它是有效连接IP核的“数字胶”，并且是ARM复用策略的重要组件；它不是芯片与外设之间的接口，而是ARM内核与芯片上其他元件进行通信的接口。比如Xilinx公司的Zynq芯片，就是ARM与FPGA之间的连接通路 .主要包括：

    AHB (Advanced High-performance Bus) 高级高性能总线

    ASB (Advanced System Bus) 高级系统总线----用的很少

    APB (Advanced Peripheral Bus) 高级外围总线

    AXI (Advanced eXtensible Interface) 高级可拓展接口

    这些内容加起来就定义出一套为了高性能SoC而设计的片上通信的标准；

AHB主要是针对高效率、高频宽及快速系统模块所设计的总线，它可以连接如微处理器、芯片上或芯片外的内存模块和DMA等高效率模块；

APB主要用在低速且低功率的外围，可针对外围设备作功率消耗及复杂接口的最佳化；APB在AHB和低带宽的外围设备之间提供了通信的桥梁，所以APB是AHB或ASB的二级拓展总线 ；

AXI：高速度、高带宽，管道化互联，单向通道，只需要首地址，读写并行，支持乱序，支持非对齐操作，有效支持初始延迟较高的外设，连线非常多；

几种AMBA总线的性能对比分析：

AHB与AXI、APB的区别与联系

AHB是先进的高性能总线，AXI是先进的可扩展接口，APB是高级外围总线；

AHB和APB都是单通道总线，不支持读写并行；而AXI是多通道总线，总共分为五个通道，能够实现读写并行；

AHB和AXI都是多主/从设备，且通过仲裁机制实现总线控制权的分配；而APB是单主设备多从设备，其主设备就是APB桥，不具有仲裁机制；

在数据操作方面，AHB和AXI支持突发传输，APB不支持；此外，AXI支持数据的非对齐操作，AHB不支持；

 二、AHB总线

AHB总线强大之处在于它可以将微控制器（CPU）、高带宽的片上RAM、高带宽的外部存储器接口、DMA总线控制器，以及各种AHB接口的控制器等连接起来构成一个独立的完整SOC系统，还可以通过AHB-APB桥来连接APB总线系统。主要包括以下四个部分：

Master  AHB主控制器：主控制器可以通过地址和控制信息，可以进行初始化，读，写操作，同一时间只有1个Master会被激活；

Slave  AHB从设备：从设备通常是指在其地址空间内，响应主控制器发出的读写控制操作的被动设备，并对Master返回成功、失败或者等待等状态，完成数据的传输控制；

Arbiter  AHB仲裁器：仲裁器根据用户的配置，确保在总线上同一时间只有一个主控制器拥有总线控制权限，从而保证总线上一次只有1个Master在工作；AHB总线只能存在一个仲裁器；

Decoder  AHB译码器：负责对地址进行解码，并提供片选信号到各Slave；AHB总线只能有一个译码器；

每个AHB都需要1个仲裁器和1个中央解码器，且有且仅有一个！

AHB基本信号 

HADDR：32位系统地址总线；

HTRANS：M指示传输状态，NONSEQ、SEQ、IDLE、BUSY；

HWRITE：传输方向1-写，0-读；

HSIZE：传输单位；

HBURST：传输的burst类型；

HWDATA：写数据总线，从M写到S；

HREADY：S应答M是否读写操作传输完成，1-传输完成，0-需延长传输周期。需要注意的是HREADY作为总线上的信号，它是M和S的输入；同时每个S需要输出自HREADY。所以对于S会有两个HREADY信号，一个来自总线的输入，一个自己给到多路器的输出；

HRESP：S应答当前传输状态，OKAY、ERROR、RETRY、SPLIT；

HRDATA：读数据总线，从S读到M；
 

AHB基本传输 

两个阶段

地址周期（AP），只有一个cycle

数据周期（DP），由HREADY信号决定需要几个cycle

流水线传送

先是地址周期，然后是数据周期

AHB突发传输与AXI突发传输的特点 

AHB协议需要一次突发传输的所有地址，地址与数据锁定对应关系，后一次突发传输必须在前次传输完成才能进行；

 AXI只需要一次突发的首地址，可以连续发送多个突发传输首地址而无需等待前次突发传输完成，并且多个数据可以交错传递，此特征大大提高了总线的利用率；

AHB总线与AXI总线均适用于高性能、高带宽的SoC系统，但AXI具有更好的灵活性，而且能够读写通道并行发送，互不影响；更重要的是，AXI总线支持乱序传输，能够有效地利用总线的带宽，平衡内部系统。因此SoC系统中，均以AXI总线为主总线，通过桥连接AHB总线与APB总线，这样能够增加SoC系统的灵活性，更加合理地把不同特征IP分配到总线上；

三、APB总线

APB是一种优化的，低功耗的，精简接口总线，可以技术多种不同慢速外设；主要应用在低带宽的外设上，如UART、 I2C，它的架构不像AHB总线是多主设备的架构，APB总线的唯一主设备是APB桥（与AXI或APB相连），因此不需要仲裁一些Request/grant信号。

APB总线协议包含一个APB桥，它用来将AHB，ASB总线上的控制信号转化为APB从设备控制器上可用信号。APB总线上所有的外设都是从设备，这些从设备有以下特点：
a 接收有效的地址和控制访问
b 当APB上的外设处于非活动状态时，可以将这些外设处于0功耗状态
c 译码器可以通过选通信号，提供输出时序（非锁定接口）
d 访问时可执行数据写入

APB的协议也十分简单，甚至不是流水的操作，固定两个时钟周期完成一次读或写的操作。其特性包括：两个时钟周期传输，无需等待周期和回应信号，控制逻辑简单，只有四个控制信号。APB上的传输可用如图所示的状态图来说明：

 

1、系统初始化为IDLE状态，此时没有传输操作，也没有选中任何从模块；

2、当有传输要进行时，PSELx=1,，PENABLE=0，系统进入SETUP状态，并只会在SETUP状态停留一个周期。当PCLK的下一个上升沿到来时，系统进入ENABLE状态；

3、系统进入ENABLE状态时，维持之前在SETUP状态的PADDR、PSEL、PWRITE不变，并将PENABLE置为1。传输也只会在ENABLE状态维持一个周期，在经过SETUP与ENABLE状态之后就已完成。之后如果没有传输要进行，就进入IDLE状态等待；如果有连续的传输，则进入SETUP状态；

• 写传输
• 读传输

四、ASB总线 

ASB总线主要用于高性能系统模块。ASB是可用于AHB不需要的高性能特性的芯片设计上可选的系统总线。ASB也支持高性能处理器，片上内存，片外内存提供接口和慢速外设。高性能，数据传输，多总线主控制器，突发连续传输。ASB总线是位于APB总线架构之上的用于高性能的总线协议，它有如下特点：
a 突发连续传输
b 单管道数据传输
c 多总线主控制器

五、基于AMBA的片上系统 

大多数挂在总线上的模块(包括处理器)只是单一属性的功能模块：主模块或者从模块。主模块是向从模块发出读写操作的模块，如CPU，DSP等；从模块是接受命令并做出反应的模块，如片上的RAM，AHB／APB 桥等。另外，还有一些模块同时具有两种属性，例如直接存储器存取(DMA)在被编程时是从模块，但在系统读传输数据时必须是主模块。

　　如果总线上存在多个主模块，就需要仲裁器来决定如何控制各种主模块对总线的访问。虽然仲裁规范是AMBA总线规范中的一部分，但具体使用的算法由RTL设计工程师决定，其中两个最常用的算法是固定优先级算法和循环制算法。AHB总线上最多可以有16个主模块和任意多个从模块，如果主模块数目大于16，则需再加一层结构(具体参阅ARM公司推出的Multi-layer AHB规范)。

　　APB 桥既是APB总线上唯一的主模块，也是AHB系统总线上的从模块。其主要功能是锁存来自AHB系统总线的地址、数据和控制信号，并提供二级译码以产生APB外围设备的选择信号，从而实现AHB协议到APB协议的转换