AMBA總線SoC系統(tǒng)IP核的即插即用研究

摘要：提出一種按照OCPIP協(xié)議將IP自動(dòng)封裝的方法。被OCPIP協(xié)議封裝的IP可以直接集成到帶有OCPIP接口的各種總線上。同時(shí)，設(shè)計(jì)了最常用的AMBA總線的OCPIP接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)AMBA總線上OCPIP核的即插即用功能，加快SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

引言

SoC設(shè)計(jì)的快速發(fā)展是以IP核復(fù)用為基礎(chǔ)的。IP核的復(fù)用極大地提高了SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)效率，SoC片上總線的選擇是IP核間集成與互連的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前片上總線的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議眾多，如ARM公司提出的AMBA總線、OPEN CORES組織提出的WishBone總線、IBM公司提出的CoreConnect總線等。SoC片上總線的多樣性對(duì)IP核的封裝規(guī)范提出了要求。標(biāo)準(zhǔn)的IP核封裝規(guī)范有助于提高IP核的復(fù)用甚至實(shí)現(xiàn)核的即插即用。基于提高IP核復(fù)用以及即插即用目的，OCPIP組織提出了OCPIP標(biāo)準(zhǔn)。

1 OCPIP標(biāo)準(zhǔn)介紹

1.1 OCP協(xié)議

OCP(Open Core Protocol)標(biāo)準(zhǔn)是OCPIP組織制定的一種以提高IP核的復(fù)用及實(shí)現(xiàn)IP核的即插即用為目的的IP核標(biāo)準(zhǔn)。SoC芯片設(shè)計(jì)不再是門級(jí)的設(shè)計(jì)，而是IP核復(fù)用及其接口的設(shè)計(jì)。IP核要集成到一個(gè)SoC系統(tǒng)中，要考慮很多問(wèn)題，例如：模塊間的同步，如全局執(zhí)行、數(shù)據(jù)交換的同步操作等;協(xié)議轉(zhuǎn)換匹配，不同IP核模塊間可能使用不同的協(xié)議，這樣必須考慮協(xié)議轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。這些問(wèn)題給IP復(fù)用帶來(lái)了一定的難度，并使SoC芯片的timeMtoMmarket(上市時(shí)間)延長(zhǎng)。為解決這些問(wèn)題，一些大公司提出了自己的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，如ARM的AMBA總線、 IBM的CoreConnect總線、Altera的Avalon總線等。因?yàn)楹说亩鄻有?，使用完全相同的總線接口是不現(xiàn)實(shí)的。這就意味著，如果總線A上的一個(gè)IP核要移植到另一系統(tǒng)的總線B上，就需要更改此IP的接口以及數(shù)據(jù)交換的方式。如果設(shè)計(jì)者不了解總線B的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，這樣就對(duì)SoC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)一系列困難。OCPIP正是針對(duì)這些問(wèn)題提出的。OCP協(xié)議是免費(fèi)的，獨(dú)立于具體的總線。它將軟件中的分層概念應(yīng)用到IP核接口，提供一種具有通用結(jié)構(gòu)定義、可擴(kuò)展的接口協(xié)議，能完全滿足IP內(nèi)核通信機(jī)制的所有要求，方便了IP核與系統(tǒng)的集成。

OCP協(xié)議使IP核的功能與系統(tǒng)的接口無(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)人員不需要了解IP核的功能也能利用它進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。OCP接口允許設(shè)計(jì)者根據(jù)不同的目的配置接口，包括接口的數(shù)據(jù)寬度、交換的握手協(xié)議等，并且在SoC設(shè)計(jì)中可以裁剪核的功能，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，減小面積，同時(shí)滿足SoC的要求;OCP接口還保持核在集成到系統(tǒng)的過(guò)程中完全不被改變(即在總線寬度、總線頻率或電氣負(fù)載有變化時(shí)核保持不變)。使用OCP接口的設(shè)計(jì)可以交付即插即用的模塊，同時(shí)支持核的開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)并行，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

圖1 OCP套接口

OCP采用套接口(socket)的方法實(shí)現(xiàn)IP核的即插即用，如圖1所示。Target Bus A表示總線A，Target Bus B表示總線B。不論總線A或者總線B是哪一類總線協(xié)議，只要總線上提供了OCP的接口，那么符合OCP協(xié)議的IP核就可以隨意集成到任意總線上去，不需要重新設(shè)計(jì)IP核的接口。

1.2 OCP通信方式

OCP協(xié)議定義了兩個(gè)通信實(shí)體間點(diǎn)到點(diǎn)的接口。其中一個(gè)實(shí)體作為通信的主體(Master)，另一個(gè)作為從體(Slave)。只有MaSTer可以發(fā)命令，Slave響應(yīng)Master的命令，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。封裝接口模塊必須擔(dān)當(dāng)每個(gè)連接實(shí)體的對(duì)應(yīng)端，當(dāng)連接實(shí)體是Master時(shí)，封裝接口模塊就作為對(duì)應(yīng)的Slave;當(dāng)連接實(shí)體是Slave時(shí)，封裝接口模塊作Master。

圖2 OCP系統(tǒng)架構(gòu)

OCP的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。圖中有3個(gè)IP核，其中左邊標(biāo)有主控的IP核是通信的發(fā)起方或者主控方，稱為Master;最右邊標(biāo)有目標(biāo)的是通信的目標(biāo)對(duì)象，稱為Slave;中間的IP核既可作為Master又可作Slave;下面的框代表OCPIP封裝接口模塊;從Master出來(lái)并進(jìn)入Slave的箭頭表示OCP請(qǐng)求命令，從Slave出來(lái)并進(jìn)入Master的箭頭表示OCP的響應(yīng)。2個(gè)IP核通過(guò)接口通信的過(guò)程是：功能為Master的 IP核發(fā)出請(qǐng)求命令給對(duì)應(yīng)的Slave端(總線封裝接口模塊);封裝接口模塊將請(qǐng)求命令轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的總線命令傳送給接收方的總線封裝模塊;接收方的總線封裝模塊再作為Master，把對(duì)應(yīng)的內(nèi)部總線傳輸轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的OCP命令傳送給目標(biāo)IP核，目標(biāo)IP核接收到命令并響應(yīng)命令和返回讀寫的數(shù)據(jù)。

2 基于AMBA總線的OCP接口設(shè)計(jì)

AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture)總線規(guī)范是ARM公司設(shè)計(jì)的一種用于高性能嵌入式系統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)。 AMBA總線規(guī)范是開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)ARM公司的授權(quán)就可以免費(fèi)

獲得。它獨(dú)立于處理器和制造工藝技術(shù)，增強(qiáng)了各種應(yīng)用中的外設(shè)和系統(tǒng)IP核單元的可重用性。2.0版AMBA標(biāo)準(zhǔn)定義了3組總線：AHB(AMBA高性能總線)、ASB(AMBA系統(tǒng)總線)、和APB(AMBA外設(shè)總線)。AHB總線應(yīng)用于要求高速度高帶寬的系統(tǒng)。本文以AHB總線為例，說(shuō)明OCPIP如何集成到SoC系統(tǒng)總線上。AMBA總線基本傳輸時(shí)序如圖3所示。HCLK表示AMBA系統(tǒng)時(shí)鐘，HADDR[31∶0]表示32位地址總線，HWDATA[31∶0]表示32位寫操作時(shí)的數(shù)據(jù)總線，HREADY是AMBA總線的讀寫狀態(tài)信號(hào)(狀態(tài)為低電平時(shí)，表示一次讀寫操作完成)，HRDATA[31∶0]表示讀操作時(shí)的數(shù)據(jù)總線。

圖3 AMBA總線基本傳輸時(shí)序

OCPIP核的功能是可裁剪的，即OCPIP的大部分信號(hào)都是可選擇的。根據(jù)核的功能，選擇使用不同的信號(hào)。OCP協(xié)議*有三大類型號(hào)：數(shù)據(jù)流信號(hào)(dataflow signals)、邊帶信號(hào)(sideband)、測(cè)試信號(hào)(test signals)。數(shù)據(jù)流信號(hào)主要包括：基本信號(hào)( basic signals)、簡(jiǎn)單擴(kuò)展信號(hào)(simple extensions signals)、突發(fā)擴(kuò)展信號(hào)(burst extensions signals)和線程擴(kuò)展信號(hào)(thread extensions signals)。邊帶信號(hào)主要包括：復(fù)位(Reset)、中斷(Interrupt)、錯(cuò)誤(Error)等信號(hào)。測(cè)試信號(hào)主要包括用于支持掃描(Scan)、時(shí)鐘控制和IEEE 1149.1(JTAG)的信號(hào)。此處用到的OCP信號(hào)包括：Reset(復(fù)位)、Clk(時(shí)鐘)、EnableClk(時(shí)鐘使能)、MAddr(地址)、MCMD(命令)、MData(數(shù)據(jù))、SCmdAccept(命令接受)、SData(Slave數(shù)據(jù))、SResp(操作成功標(biāo)志)。簡(jiǎn)單的OCP讀寫時(shí)序如圖4所示。Request Phase表示請(qǐng)求階段，Response Phase表示響應(yīng)階段。A處由系統(tǒng)Master發(fā)出1個(gè)WR寫命令，并給出地址A1和數(shù)據(jù)D1。隨即Slave發(fā)出命令接受響應(yīng)ScmdAccept，此處一個(gè)周期完成了一個(gè)寫周期操作，不需要Slave給出寫操作成功響應(yīng)。C處系統(tǒng)Master發(fā)出一個(gè)RD讀命令，并給出要讀取的地址A2。Slave隨即給出命令接受響應(yīng)信號(hào)SCmdAccept，在下一個(gè)時(shí)鐘周期D處Slave給出要讀取的數(shù)據(jù)D2并在Slave響應(yīng)信號(hào)SResp上給出讀操作成功標(biāo)志DVA。此處讀操作用了2個(gè)時(shí)鐘周期。

圖4 OCP讀寫時(shí)序

OCPIP跟AMBA總線的通信通過(guò)設(shè)計(jì)2個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，1個(gè)用于接收AMBA總線上的流水?dāng)?shù)據(jù)，1個(gè)用于發(fā)送接收的數(shù)據(jù)并以O(shè)CP標(biāo)準(zhǔn)的方式發(fā)送。接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)編碼如下：

parameterH_IDLE = 2’b00;

parameterH_CTRL_PHASE1 = 2’b01;

parameterH_CTRL_PHASE2 = 2’b10;

H_CTRL_PHASE1用于存儲(chǔ)第1級(jí)流水指令，H_CTRL_PHASE2用于存儲(chǔ)第2級(jí)流水指令,其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。當(dāng)AMBA總線上發(fā)出第1個(gè)讀寫指令，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入H_CTRL_PHASE1狀態(tài)，并將第1個(gè)讀寫指令轉(zhuǎn)換成OCP命令。因?yàn)锳MBA總線是基于流水的操作，所以第2條指令的發(fā)出不需要等第1條指令執(zhí)行結(jié)束。這時(shí)候，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入H_CTRL_PHASE2狀態(tài)，并將此指令存儲(chǔ)起來(lái)，等OCP命令執(zhí)行結(jié)束立即將此存儲(chǔ)的指令轉(zhuǎn)換成OCP命令。這時(shí)如果AMBA總線上再次發(fā)出第3條指令，則狀態(tài)機(jī)進(jìn)入H_CTRL_PHASE1狀態(tài)，并存儲(chǔ)此指令。

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)編碼如下：

parameterOCP_IDLE=5’b00001;

parameterWRITE1 = 5’b00010;

parameterWRITE2 = 5’b00100;

parameterREAD1= 5’b01000;

parameterREAD2= 5’b10000;

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。當(dāng)接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)接收到AMBA總線上的命令時(shí)，狀態(tài)機(jī)讓OCP接口進(jìn)入第1個(gè)讀寫操作狀態(tài)，即READ1狀態(tài)或者WRITE1狀態(tài)。如果AMBA總線上有持續(xù)的流水操作命令，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入READ2狀態(tài)或者WRITE2狀態(tài)，即在AMBA流水操作的條件下，以1結(jié)尾的狀態(tài)的下一個(gè)狀態(tài)一定是以2結(jié)尾的狀態(tài)，反之以2結(jié)尾的狀態(tài)的下一個(gè)狀態(tài)一定是以1結(jié)尾的狀態(tài)。

圖6 發(fā)送接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)

3 OCPIP標(biāo)準(zhǔn)封裝軟件設(shè)計(jì)

OCP是一種IP的標(biāo)準(zhǔn)，但不僅僅是IP的接口和數(shù)據(jù)的交換方式，還規(guī)定了IP的配置、端口等信息，即所謂的OCP配置文件。讀取OCP配置文件中的內(nèi)容，就可以知道此IP對(duì)應(yīng)的OCP接口的性能，從而對(duì)總線上的接口進(jìn)行配置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)IP的即插即用。雖然IP的功能是多樣的，總線的數(shù)據(jù)交互方式也是多樣的，但OCP接口的時(shí)序是固定的。這樣就可以通過(guò)設(shè)計(jì)軟件提取IP的端口信息，并自動(dòng)生成相應(yīng)的OCP接口模塊。

圖7 OCPIP封裝操作流程

該封裝軟件運(yùn)行流程如圖7所示。用戶的IP可以直接掛在該SoC平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也可以直接集成到其他帶有OCP接口的SoC系統(tǒng)中去，加快IP的驗(yàn)證和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

封裝軟件采用MFC(微軟基礎(chǔ)類庫(kù))來(lái)編寫。通過(guò)設(shè)計(jì)用戶界面，用戶只要輸入IP的時(shí)鐘、地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制信號(hào)等，就可以自動(dòng)生成1個(gè)OCP的接口，以及標(biāo)準(zhǔn)的配置文件，從而實(shí)現(xiàn)IP的即插即用以及IP的統(tǒng)一管理。

結(jié)語(yǔ)

OCP是免費(fèi)的基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)腎P核的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可重配置以及可擴(kuò)展性很強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的IP核即插即用，減少SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)間。本文討論了OCPIP的協(xié)議與特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于AMBA總線的OCPIP接口，提出了一種IP自動(dòng)封裝的方法，為IP核的集成和管理帶來(lái)極大的方便。