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基于AHB_Bus_Matrix与AHB2APB Bridge 的多主多从 架构设计

Starry丶 2023-04-11 原文

目录

这次基于AHB与APB的协议,设计一个片内各组件互联的架构

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1. 功能

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。

2. 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

2.1. imperfect_soc_block_top

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
hclkinput1AHB全局时钟
pclkinput1APB全局时钟
rstninput1复位,低有效
rstn_sckinput1用于波特率时钟的复位
MST_IO0HADDR_mst0inputHADDR_WIDTHAHB写地址
HBURST_mst0input3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZE_mst0input3决定传输数据的位宽
HTRANS_mst0input2传输状态
HWDATA_mst0inputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITE_mst0input1高为写,低为读
HRDATA_mst0outputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADY_mst0output1Master收到的来自Slave有效信号
MST_IO1HADDR_mst1inputHADDR_WIDTHAHB写地址
HBURST_mst1input3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZE_mst1input3决定传输数据的位宽
HTRANS_mst1input2传输状态
HWDATA_mst1inputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITE_mst1input1高为写,低为读
HRDATA_mst1outputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADY_mst1output1Master收到的来自Slave有效信号
MST_IO2HADDR_mst2inputHADDR_WIDTHAHB写地址
HBURST_mst2input3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZE_mst2input3决定传输数据的位宽
HTRANS_mst2input2传输状态
HWDATA_mst2inputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITE_mst2input1高为写,低为读
HRDATA_mst2outputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADY_mst2output1Master收到的来自Slave有效信号
USART_IOusart_rx_sckinput1usart_rx波特率时钟
usart_rxdinput1usart通信单bit总线
usart_tx_clkoutput1usart_tx的波特率时钟
usart_txdoutput1usart通信单bit总线
SPI_IOspi_sckinout1波特率时钟,Master SPI为output、Slave SPI为input
spi_mosiinout1SPI单bit通信端口,Master SPI为output、Slave SPI为input
spi_misoinout1SPI单bit通信端口,Master SPI为input、Slave SPI为output
spi_csn_iinputCHIP_SEL_NUM对Master/Slave SPI片选的控制信号
spi_csn_ooutputCHIP_SEL_NUMMaster SPI对Slave SPI的片选控制
Parameter Units Description
HADDR_WIDTHbitAHB地址宽度
HDATA_WIDTHbitAHB数据宽度
PADDR_WIDTHbit地址宽度
PDATA_WIDTHbit写入or读出的数据位宽
AHB2APB_BRIDGE_PSEL_NUMbitAHB2APB桥片选Slave个数
PCLK_FREQHZpclk的时钟频率,较hclk频率低
USART_BAUD_RATEbit per secondusart设定的波特率
SPI_BAUD_RATEbit per secondspi设定的波特率
SPI_CHIP_SEL_NUMbitMaster SPI可片选Slave SPI的个数
SPI_MSTRbit0表示Master SPI、1表示Slave SPI
SPI_CPOLbit表示sck空闲时的电平
SPI_CPHAbit用于确定sck对单bit输入采样沿和单bit输出的驱动沿
ASYNC_FIFO_WIDTHbit可选,异步FIFO深度
SRAM0_DEPTHbitSRAM0的深度
SRAM1_DEPTHbitSRAM1的深度

2.2. ahb_bus_matrix_3x3

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
HCLKinput1时钟
HRSTninput1复位,低有效
MST_IO0HADDR_mst0inputHADDR_WIDTHAHB写地址
HBURST_mst0input3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZE_mst0input3决定传输数据的位宽
HTRANS_mst0input2传输状态
HWDATA_mst0inputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITE_mst0input1高为写,低为读
HRDATA_mst0outputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADY_mst0output1Master收到的来自Slave有效信号
MST_IO1HADDR_mst1inputHADDR_WIDTHAHB写地址
HBURST_mst1input3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZE_mst1input3决定传输数据的位宽
HTRANS_mst1input2传输状态
HWDATA_mst1inputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITE_mst1input1高为写,低为读
HRDATA_mst1outputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADY_mst1output1Master收到的来自Slave有效信号
MST_IO2HADDR_mst2inputHADDR_WIDTHAHB写地址
HBURST_mst2input3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZE_mst2input3决定传输数据的位宽
HTRANS_mst2input2传输状态
HWDATA_mst2inputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITE_mst2input1高为写,低为读
HRDATA_mst2outputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADY_mst2output1Master收到的来自Slave有效信号
Group Signal Direction Width(bits) Description
SLV_IO0HADDR_slv0outputHADDR_WIDTHAHB写地址
HSEL_slv0input1片选
HBURST_slv0output3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZE_slv0output3决定传输数据的位宽
HTRANS_slv0output2传输状态
HWDATA_slv0outputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITE_slv0output1高为写,低为读
HRDATA_slv0inputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADYOUT_slv0input1Slave准备信号
SLV_IO1HADDR_slv0outputHADDR_WIDTHAHB写地址
HSEL_slv1input1片选
HBURST_slv1output3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZE_slv1output3决定传输数据的位宽
HTRANS_slv1output2传输状态
HWDATA_slv1outputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITE_slv1output1高为写,低为读
HRDATA_slv1inputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADYOUT_slv1input1Slave准备信号
SLV_IO2HADDR_slv0outputHADDR_WIDTHAHB写地址
HSEL_slv2input1片选
HBURST_slv2output3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZE_slv2output3决定传输数据的位宽
HTRANS_slv2output2传输状态
HWDATA_slv2outputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITE_slv2output1高为写,低为读
HRDATA_slv2inputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADYOUT_slv2input1Slave准备信号
Parameter Units Description
HADDR_WIDTHbitAHB地址宽度
HDATA_WIDTHbitAHB数据宽度

2.3. sram0与sram1

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
HCLKinput1时钟
HRSTninput1复位,低有效
HADDRinputHADDR_WIDTHAHB写地址
HSELinput1片选
HBURSTinput3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZEinput3决定传输数据的位宽
HTRANSinput2传输状态
HWDATAinputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITEinput1高为写,低为读
HRDATAoutputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADYOUToutput1SRAM准备信号
Parameter Units Description
HADDR_WIDTHbitAHB地址宽度
HDATA_WIDTHbitAHB数据宽度
SRAM_DEPTHbitSRAM的深度

2.4. ahb2apb_bridge

AHB2APB桥作为AHB Slave,同时也是APB master

Signal Direction Width(bits) Description
HCLKinput1时钟
HRSTninput1复位,低有效
HADDRinputHADDR_WIDTHAHB写地址
HSELinput1片选
HBURSTinput3AHB burst传输时传输的次数和递增方式
HSIZEinput3决定传输数据的位宽
HTRANSinput2传输状态
HWDATAinputHDATA_WIDTHAHB写数据
HWRITEinput1高为写,低为读
HRDATAoutputHDATA_WIDTHAHB读数据
HREADYOUToutput1SRAM准备信号
pclkinput1APB时钟
paddroutputPADDR_WIDTH用于访问usart_tx和usart_rx内部FIFO
pwriteoutput11表示写,0表示读
pseloutputPSEL_SUM用于对APB slave选通
penableoutput1APB使能
pwdataoutputPDATA_WIDTH写数据
prdatainputPDATA_WIDTH读出的数据
preadyinput1apb slave准备标志
Parameter Units Description
HADDR_WIDTHbitAHB地址宽度
HDATA_WIDTHbitAHB数据宽度
PSEL_NUMbitAPB片选Slave个数
PADDR_WIDTHbitAPB地址宽度
PDATA_WIDTHbitAPB数据宽度

2.5. usart

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_sckinput1tx_sck时钟复位信号
pclkinput1APB时钟
prstninput1复位信号
paddrinputPADDR_WIDTH用于访问usart_tx和usart_rx内部FIFO
pwriteinput11表示写,0表示读
pselinput1是否对usart选通
penableinput1APB使能
pwdatainputPDATA_WIDTH写数据
prdatainputPDATA_WIDTH读出的数据
preadyoutput1usart准备标志
rx_sckinput1usart_rx波特率时钟
rxdinput1usart通信单bit总线
tx_clkoutput1usart_tx的波特率时钟
txdoutput1usart通信单bit总线

之后是参数描述

Parameter Units Description
BAUD_RATEbit设定的波特率
PCLK_FREQbitpclk的时钟频率
PADDR_WIDTHbit地址宽度
PDATA_WIDTHbit数据宽度
ASYNC_FIFO_DEPTHbitUSART_TX和USART_RX中异步FIFO深度

2.6. spi

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_sckinput1sck时钟复位信号
pclkinput1APB时钟
prstninput1复位信号
paddrinputPADDR_WIDTH用于访问spi内部寄存器
pwriteinput11表示写,0表示读
pselinput1是否对spi选通
penableinput1APB使能
pwdatainputPDATA_WIDTH写数据
prdatainputPDATA_WIDTH读出的数据
preadyoutput1spi准备标志
sckinout1波特率时钟,Master SPI为output、Slave SPI为input
mosiinout1SPI单bit通信端口,Master SPI为output、Slave SPI为input
misoinout1SPI单bit通信端口,Master SPI为input、Slave SPI为output
csn_iinputCHIP_SEL_NUM对Master/Slave SPI片选的控制信号
csn_ooutputCHIP_SEL_NUMMaster SPI对Slave SPI的片选控制

之后是参数描述

Parameter Units Description
BAUD_RATEbit per second设定的波特率
PCLK_FREQHZclk的时钟频率
PADDR_WIDTHbit地址宽度
PDATA_WIDTHbit写入or读出的数据位宽
CHIP_SEL_NUMbitMaster SPI可片选Slave SPI的个数
MSTRbit0表示Master SPI、1表示Slave SPI
CPOLbit表示sck空闲时的电平
CPHAbit用于确定sck对单bit输入采样沿和单bit输出的驱动沿
ASYNC_FIFO_WIDTHbit可选,异步FIFO深度

2.7. timer

计时器,用于对全局进行计时

Signal Direction Width(bits) Description
pclkinput1APB时钟
prstninput1复位信号
paddrinputPADDR_WIDTH用于访问timer内部寄存器
pwriteinput11表示写,0表示读
pselinput1是否对usart选通
penableinput1APB使能
pwdatainputPDATA_WIDTH写数据
prdatainputPDATA_WIDTH读出的数据
preadyoutput1timer准备标志
pslverroutput1用于表示paddr访问错误

之后是参数描述

Parameter Units Description
PADDR_WIDTHbit地址宽度
PDATA_WIDTHbit写入or读出的数据位宽

3. 逻辑设计

3.1. imperfect_soc_block_top

3.2. ahb_bus_matrix_3x3

3.3. sram

由于sram分为ahb2sram桥和sram本体两个模块,分别进行设计。

ahb2sram

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。

sram

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。

3.4. ahb2apb_bridge

3.5. usart

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

3.6. spi

直接参考串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)

接口也是APB

3.7. timer

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

4. 测试

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