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这次基于AHB与APB的协议,设计一个片内各组件互联的架构
对于SoC来说 AMBA是片内各组件的通信协议,所以AMBA构成的片内通信接口架构就非常重要,它是各组件(例如CPU、USB、RAM、USART、SPI、I2C等)的高速公路。
例如


本篇内容就是实现一个这样的架构,通过该架构有利于理解SoC系统的架构。
整个架构可看作是一个SoC系统架构的残次品,核心是AHB_BUS_MATRIX与AHB2APB_BRIDGE,将各组件连接,如下图
可以看出并没有AHB master,此处我们通过TB实现

从架构图中可以看出,顶层的输入输出就是ahb_bus_matrix_3x3的 master接口以及usart和spi对外接口
| Group | Signal | Direction | Width(bits) | Description |
|---|---|---|---|---|
| hclk | input | 1 | AHB全局时钟 | |
| pclk | input | 1 | APB全局时钟 | |
| rstn | input | 1 | 复位,低有效 | |
| rstn_sck | input | 1 | 用于波特率时钟的复位 | |
| MST_IO0 | HADDR_mst0 | input | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HBURST_mst0 | input | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 | |
| HSIZE_mst0 | input | 3 | 决定传输数据的位宽 | |
| HTRANS_mst0 | input | 2 | 传输状态 | |
| HWDATA_mst0 | input | HDATA_WIDTH | AHB写数据 | |
| HWRITE_mst0 | input | 1 | 高为写,低为读 | |
| HRDATA_mst0 | output | HDATA_WIDTH | AHB读数据 | |
| HREADY_mst0 | output | 1 | Master收到的来自Slave有效信号 | |
| MST_IO1 | HADDR_mst1 | input | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HBURST_mst1 | input | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 | |
| HSIZE_mst1 | input | 3 | 决定传输数据的位宽 | |
| HTRANS_mst1 | input | 2 | 传输状态 | |
| HWDATA_mst1 | input | HDATA_WIDTH | AHB写数据 | |
| HWRITE_mst1 | input | 1 | 高为写,低为读 | |
| HRDATA_mst1 | output | HDATA_WIDTH | AHB读数据 | |
| HREADY_mst1 | output | 1 | Master收到的来自Slave有效信号 | |
| MST_IO2 | HADDR_mst2 | input | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HBURST_mst2 | input | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 | |
| HSIZE_mst2 | input | 3 | 决定传输数据的位宽 | |
| HTRANS_mst2 | input | 2 | 传输状态 | |
| HWDATA_mst2 | input | HDATA_WIDTH | AHB写数据 | |
| HWRITE_mst2 | input | 1 | 高为写,低为读 | |
| HRDATA_mst2 | output | HDATA_WIDTH | AHB读数据 | |
| HREADY_mst2 | output | 1 | Master收到的来自Slave有效信号 | |
| USART_IO | usart_rx_sck | input | 1 | usart_rx波特率时钟 |
| usart_rxd | input | 1 | usart通信单bit总线 | |
| usart_tx_clk | output | 1 | usart_tx的波特率时钟 | |
| usart_txd | output | 1 | usart通信单bit总线 | |
| SPI_IO | spi_sck | inout | 1 | 波特率时钟,Master SPI为output、Slave SPI为input |
| spi_mosi | inout | 1 | SPI单bit通信端口,Master SPI为output、Slave SPI为input | |
| spi_miso | inout | 1 | SPI单bit通信端口,Master SPI为input、Slave SPI为output | |
| spi_csn_i | input | CHIP_SEL_NUM | 对Master/Slave SPI片选的控制信号 | |
| spi_csn_o | output | CHIP_SEL_NUM | Master SPI对Slave SPI的片选控制 |
| Parameter | Units | Description |
|---|---|---|
| HADDR_WIDTH | bit | AHB地址宽度 |
| HDATA_WIDTH | bit | AHB数据宽度 |
| PADDR_WIDTH | bit | 地址宽度 |
| PDATA_WIDTH | bit | 写入or读出的数据位宽 |
| AHB2APB_BRIDGE_PSEL_NUM | bit | AHB2APB桥片选Slave个数 |
| PCLK_FREQ | HZ | pclk的时钟频率,较hclk频率低 |
| USART_BAUD_RATE | bit per second | usart设定的波特率 |
| SPI_BAUD_RATE | bit per second | spi设定的波特率 |
| SPI_CHIP_SEL_NUM | bit | Master SPI可片选Slave SPI的个数 |
| SPI_MSTR | bit | 0表示Master SPI、1表示Slave SPI |
| SPI_CPOL | bit | 表示sck空闲时的电平 |
| SPI_CPHA | bit | 用于确定sck对单bit输入采样沿和单bit输出的驱动沿 |
| ASYNC_FIFO_WIDTH | bit | 可选,异步FIFO深度 |
| SRAM0_DEPTH | bit | SRAM0的深度 |
| SRAM1_DEPTH | bit | SRAM1的深度 |
从图中看出有mst_io0、mst_io1、mst_io2和slv_io0、slv_io1、slv_io2共六组接口,其中mst_io0、mst_io1、mst_io2表示三组与master交互的AHB接口,slv_io0、slv_io1、slv_io2表示三组与slave交互的AHB接口。
输入输出和参数如下
| Group | Signal | Direction | Width(bits) | Description |
|---|---|---|---|---|
| HCLK | input | 1 | 时钟 | |
| HRSTn | input | 1 | 复位,低有效 | |
| MST_IO0 | HADDR_mst0 | input | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HBURST_mst0 | input | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 | |
| HSIZE_mst0 | input | 3 | 决定传输数据的位宽 | |
| HTRANS_mst0 | input | 2 | 传输状态 | |
| HWDATA_mst0 | input | HDATA_WIDTH | AHB写数据 | |
| HWRITE_mst0 | input | 1 | 高为写,低为读 | |
| HRDATA_mst0 | output | HDATA_WIDTH | AHB读数据 | |
| HREADY_mst0 | output | 1 | Master收到的来自Slave有效信号 | |
| MST_IO1 | HADDR_mst1 | input | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HBURST_mst1 | input | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 | |
| HSIZE_mst1 | input | 3 | 决定传输数据的位宽 | |
| HTRANS_mst1 | input | 2 | 传输状态 | |
| HWDATA_mst1 | input | HDATA_WIDTH | AHB写数据 | |
| HWRITE_mst1 | input | 1 | 高为写,低为读 | |
| HRDATA_mst1 | output | HDATA_WIDTH | AHB读数据 | |
| HREADY_mst1 | output | 1 | Master收到的来自Slave有效信号 | |
| MST_IO2 | HADDR_mst2 | input | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HBURST_mst2 | input | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 | |
| HSIZE_mst2 | input | 3 | 决定传输数据的位宽 | |
| HTRANS_mst2 | input | 2 | 传输状态 | |
| HWDATA_mst2 | input | HDATA_WIDTH | AHB写数据 | |
| HWRITE_mst2 | input | 1 | 高为写,低为读 | |
| HRDATA_mst2 | output | HDATA_WIDTH | AHB读数据 | |
| HREADY_mst2 | output | 1 | Master收到的来自Slave有效信号 |
| Group | Signal | Direction | Width(bits) | Description |
|---|---|---|---|---|
| SLV_IO0 | HADDR_slv0 | output | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HSEL_slv0 | input | 1 | 片选 | |
| HBURST_slv0 | output | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 | |
| HSIZE_slv0 | output | 3 | 决定传输数据的位宽 | |
| HTRANS_slv0 | output | 2 | 传输状态 | |
| HWDATA_slv0 | output | HDATA_WIDTH | AHB写数据 | |
| HWRITE_slv0 | output | 1 | 高为写,低为读 | |
| HRDATA_slv0 | input | HDATA_WIDTH | AHB读数据 | |
| HREADYOUT_slv0 | input | 1 | Slave准备信号 | |
| SLV_IO1 | HADDR_slv0 | output | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HSEL_slv1 | input | 1 | 片选 | |
| HBURST_slv1 | output | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 | |
| HSIZE_slv1 | output | 3 | 决定传输数据的位宽 | |
| HTRANS_slv1 | output | 2 | 传输状态 | |
| HWDATA_slv1 | output | HDATA_WIDTH | AHB写数据 | |
| HWRITE_slv1 | output | 1 | 高为写,低为读 | |
| HRDATA_slv1 | input | HDATA_WIDTH | AHB读数据 | |
| HREADYOUT_slv1 | input | 1 | Slave准备信号 | |
| SLV_IO2 | HADDR_slv0 | output | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HSEL_slv2 | input | 1 | 片选 | |
| HBURST_slv2 | output | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 | |
| HSIZE_slv2 | output | 3 | 决定传输数据的位宽 | |
| HTRANS_slv2 | output | 2 | 传输状态 | |
| HWDATA_slv2 | output | HDATA_WIDTH | AHB写数据 | |
| HWRITE_slv2 | output | 1 | 高为写,低为读 | |
| HRDATA_slv2 | input | HDATA_WIDTH | AHB读数据 | |
| HREADYOUT_slv2 | input | 1 | Slave准备信号 |
| Parameter | Units | Description |
|---|---|---|
| HADDR_WIDTH | bit | AHB地址宽度 |
| HDATA_WIDTH | bit | AHB数据宽度 |
SRAM的是挂载到AHB上,sram的时序满足标准握手时序,与AHB不同。
故需要有一个中间模块的进行转换,如下图

| Signal | Direction | Width(bits) | Description |
|---|---|---|---|
| HCLK | input | 1 | 时钟 |
| HRSTn | input | 1 | 复位,低有效 |
| HADDR | input | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HSEL | input | 1 | 片选 |
| HBURST | input | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 |
| HSIZE | input | 3 | 决定传输数据的位宽 |
| HTRANS | input | 2 | 传输状态 |
| HWDATA | input | HDATA_WIDTH | AHB写数据 |
| HWRITE | input | 1 | 高为写,低为读 |
| HRDATA | output | HDATA_WIDTH | AHB读数据 |
| HREADYOUT | output | 1 | SRAM准备信号 |
| Parameter | Units | Description |
|---|---|---|
| HADDR_WIDTH | bit | AHB地址宽度 |
| HDATA_WIDTH | bit | AHB数据宽度 |
| SRAM_DEPTH | bit | SRAM的深度 |
AHB2APB桥作为AHB Slave,同时也是APB master
| Signal | Direction | Width(bits) | Description |
|---|---|---|---|
| HCLK | input | 1 | 时钟 |
| HRSTn | input | 1 | 复位,低有效 |
| HADDR | input | HADDR_WIDTH | AHB写地址 |
| HSEL | input | 1 | 片选 |
| HBURST | input | 3 | AHB burst传输时传输的次数和递增方式 |
| HSIZE | input | 3 | 决定传输数据的位宽 |
| HTRANS | input | 2 | 传输状态 |
| HWDATA | input | HDATA_WIDTH | AHB写数据 |
| HWRITE | input | 1 | 高为写,低为读 |
| HRDATA | output | HDATA_WIDTH | AHB读数据 |
| HREADYOUT | output | 1 | SRAM准备信号 |
| pclk | input | 1 | APB时钟 |
| paddr | output | PADDR_WIDTH | 用于访问usart_tx和usart_rx内部FIFO |
| pwrite | output | 1 | 1表示写,0表示读 |
| psel | output | PSEL_SUM | 用于对APB slave选通 |
| penable | output | 1 | APB使能 |
| pwdata | output | PDATA_WIDTH | 写数据 |
| prdata | input | PDATA_WIDTH | 读出的数据 |
| pready | input | 1 | apb slave准备标志 |
| Parameter | Units | Description |
|---|---|---|
| HADDR_WIDTH | bit | AHB地址宽度 |
| HDATA_WIDTH | bit | AHB数据宽度 |
| PSEL_NUM | bit | APB片选Slave个数 |
| PADDR_WIDTH | bit | APB地址宽度 |
| PDATA_WIDTH | bit | APB数据宽度 |
这个串口是挂载在APB上的,该模块可参考已有设计
| Signal | Direction | Width(bits) | Description |
|---|---|---|---|
| prstn_sck | input | 1 | tx_sck时钟复位信号 |
| pclk | input | 1 | APB时钟 |
| prstn | input | 1 | 复位信号 |
| paddr | input | PADDR_WIDTH | 用于访问usart_tx和usart_rx内部FIFO |
| pwrite | input | 1 | 1表示写,0表示读 |
| psel | input | 1 | 是否对usart选通 |
| penable | input | 1 | APB使能 |
| pwdata | input | PDATA_WIDTH | 写数据 |
| prdata | input | PDATA_WIDTH | 读出的数据 |
| pready | output | 1 | usart准备标志 |
| rx_sck | input | 1 | usart_rx波特率时钟 |
| rxd | input | 1 | usart通信单bit总线 |
| tx_clk | output | 1 | usart_tx的波特率时钟 |
| txd | output | 1 | usart通信单bit总线 |
之后是参数描述
| Parameter | Units | Description |
|---|---|---|
| BAUD_RATE | bit | 设定的波特率 |
| PCLK_FREQ | bit | pclk的时钟频率 |
| PADDR_WIDTH | bit | 地址宽度 |
| PDATA_WIDTH | bit | 数据宽度 |
| ASYNC_FIFO_DEPTH | bit | USART_TX和USART_RX中异步FIFO深度 |
这里的SPI也是挂载到APB上,该模块可参考已有设计
| Signal | Direction | Width(bits) | Description |
|---|---|---|---|
| prstn_sck | input | 1 | sck时钟复位信号 |
| pclk | input | 1 | APB时钟 |
| prstn | input | 1 | 复位信号 |
| paddr | input | PADDR_WIDTH | 用于访问spi内部寄存器 |
| pwrite | input | 1 | 1表示写,0表示读 |
| psel | input | 1 | 是否对spi选通 |
| penable | input | 1 | APB使能 |
| pwdata | input | PDATA_WIDTH | 写数据 |
| prdata | input | PDATA_WIDTH | 读出的数据 |
| pready | output | 1 | spi准备标志 |
| sck | inout | 1 | 波特率时钟,Master SPI为output、Slave SPI为input |
| mosi | inout | 1 | SPI单bit通信端口,Master SPI为output、Slave SPI为input |
| miso | inout | 1 | SPI单bit通信端口,Master SPI为input、Slave SPI为output |
| csn_i | input | CHIP_SEL_NUM | 对Master/Slave SPI片选的控制信号 |
| csn_o | output | CHIP_SEL_NUM | Master SPI对Slave SPI的片选控制 |
之后是参数描述
| Parameter | Units | Description |
|---|---|---|
| BAUD_RATE | bit per second | 设定的波特率 |
| PCLK_FREQ | HZ | clk的时钟频率 |
| PADDR_WIDTH | bit | 地址宽度 |
| PDATA_WIDTH | bit | 写入or读出的数据位宽 |
| CHIP_SEL_NUM | bit | Master SPI可片选Slave SPI的个数 |
| MSTR | bit | 0表示Master SPI、1表示Slave SPI |
| CPOL | bit | 表示sck空闲时的电平 |
| CPHA | bit | 用于确定sck对单bit输入采样沿和单bit输出的驱动沿 |
| ASYNC_FIFO_WIDTH | bit | 可选,异步FIFO深度 |
计时器,用于对全局进行计时
| Signal | Direction | Width(bits) | Description |
|---|---|---|---|
| pclk | input | 1 | APB时钟 |
| prstn | input | 1 | 复位信号 |
| paddr | input | PADDR_WIDTH | 用于访问timer内部寄存器 |
| pwrite | input | 1 | 1表示写,0表示读 |
| psel | input | 1 | 是否对usart选通 |
| penable | input | 1 | APB使能 |
| pwdata | input | PDATA_WIDTH | 写数据 |
| prdata | input | PDATA_WIDTH | 读出的数据 |
| pready | output | 1 | timer准备标志 |
| pslverr | output | 1 | 用于表示paddr访问错误 |
之后是参数描述
| Parameter | Units | Description |
|---|---|---|
| PADDR_WIDTH | bit | 地址宽度 |
| PDATA_WIDTH | bit | 写入or读出的数据位宽 |
由于sram分为ahb2sram桥和sram本体两个模块,分别进行设计。
这个模块可以参考高级高性能总线(Advanced High-performance Bus, AHB)中AHB2Standard_Handshake_Bridge的设计。
不过区别是,sram是单口RAM,而上文中的AHB2标准握手的桥其实是适用于双口RAM,需要作一下转换。
单口RAM应该非常熟悉了,但是有一个问题需要解决sram中memory如何定义?
是定义成reg [7:0] mem[MEM_NUM-1:0];还是reg [31:0] mem[MEM_NUM-1:0];?
本文选择前者,因为AHB每次访问数据位宽不一定就是4 Byte,但绝对是按字节寻址,所以前者处理比较方便。
所以迎面而来第二个问题给定addr,sram如何知道要访问的数据位宽?
AHB中有hsize定义了访问数据中有效的位宽,而sram这边不知道啊。
比如sram中addr是32’h0,wdata是32’hFFFF,而AHB那边给到的hsize是3’b0,就是说AHB要写入32’h0这个地址中32’hFFFF中仅1 byte大小的值,那么sram就不知道了
所以此处的sram也加入一个输入size,用于指示访问的数据位宽,其含义与AHB中HSIZE含义相同。
可以直接参考通用同步异步收发器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter, USART)
接口也是APB
直接参考串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)
接口也是APB
计时器的逻辑比较简单,就是一个计数器,可通过APB置数或是读出。
但是要注意计数器计算的是pclk持续的拍数,并不是真正的时间。如果要换算成us、ms等单位的时间,还需要乘或除一个常数,这个在硬件上综合会很不可控,建议通过软件实现,所以timer的RTL代码就不提供单位换算了。
代码如下
module timer#(
parameter PADDR_WIDTH = 8,
parameter PDATA_WIDTH = 16
)(
input prstn,
input pclk,
input [PADDR_WIDTH-1:0] paddr,
input pwrite,
input psel,
input penable,
input [PDATA_WIDTH-1:0] pwdata,
output [PDATA_WIDTH-1:0] prdata,
output pready,
output pslverr
);
localparam CNT_ADDR = ;
reg [PDATA_WIDTH-1:0] cnt;
reg [PDATA_WIDTH-1:0] prdata_r;
reg pslverr_r;
assign pready = 1'b1;
always@(posedge pclk or negedge prstn) begin
if(!prstn)
pslverr_r <= 1'b0;
else if((paddr != CNT_ADDR) && psel && !penable)
pslverr_r <= 1'b1;
else
pslverr_r <= 1'b0;
end
assign pslverr = pslverr_r;
always@(posedge pclk or negedge prstn) begin
if(!prstn)
cnt <= 'd0;
else if((paddr == CNT_ADDR) && pwrite && psel && penable && pready)
cnt <= pwdata;
else
cnt <= cnt + 'd1;
end
always@(posedge pclk or negedge prstn) begin
if(!prstn)
prdata_r <= 'd0;
else if((paddr == CNT_ADDR) && (!pwrite) && psel && (!penable))
prdata_r <= cnt;
end
assign prdata = prdata_r;
endmodule
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