高帶寬嵌入式應(yīng)用中SoC微控制器的可編程總線設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)SoC總線架構(gòu)已不能滿足新的聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)計(jì)對(duì)高帶寬數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的需求， NetSilicon開發(fā)的可編程總線帶寬控制系統(tǒng)可以使多個(gè)資源同時(shí)訪問(wèn)總線，使其既滿足應(yīng)用要求又不會(huì)影響其他重要操作的性能。本文將對(duì)該系統(tǒng)的可編程總線帶寬分配方案進(jìn)行探討。

32位嵌入式設(shè)計(jì)越來(lái)越要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)上高帶寬數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，特別是在系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)層面，以確定性和無(wú)爭(zhēng)議的方式傳輸數(shù)據(jù)和控制信息變得非常重要。各種操作直接處于系統(tǒng)開發(fā)者既定的控制之下也很重要，而這在基于總線的SoC設(shè)計(jì)中并不總是能夠?qū)崿F(xiàn)。

設(shè)計(jì)者和芯片供應(yīng)商常常借鑒板級(jí)及系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)技術(shù)，以便在最短的設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)以最低的開發(fā)成本進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)。由于手機(jī)和PDA等設(shè)備對(duì)確定性的實(shí)時(shí)響應(yīng)需求很少，所以傳統(tǒng)解決方案在此類應(yīng)用中表現(xiàn)還不錯(cuò)。

但在許多新的聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)總線架構(gòu)不能滿足共享總線對(duì)高帶寬及高密度數(shù)據(jù)流的需求，在下列應(yīng)用中尤其如此，如工業(yè)用人機(jī)界面(HMI)網(wǎng)絡(luò)顯示、POS終端設(shè)備，具有不同數(shù)據(jù)帶寬需求的彩色打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)投影儀和監(jiān)視攝像機(jī)，以及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、數(shù)字復(fù)印機(jī)、多功能一體機(jī)、傳真機(jī)和掃描儀等。

許多基于片上串行互連的替代方案正在研發(fā)中，這些替代方案類似于串行結(jié)構(gòu)、交叉交換(crossbar switch)和基于數(shù)據(jù)包的總線。在這些新方案得以完善之前，鑒于時(shí)間和成本壓力，必須找到能修改從板級(jí)設(shè)計(jì)借鑒過(guò)來(lái)的共享總線架構(gòu)的方法，以滿足新的32位嵌入式聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)確定性和實(shí)時(shí)性的要求。

傳統(tǒng)SoC總線的優(yōu)缺點(diǎn)

SoC開發(fā)者不愿意放棄這種通用共享總線，因?yàn)樗梢詼p少設(shè)計(jì)周期中的規(guī)范制定及驗(yàn)證工作，能使SoC的高層次集成如同將擴(kuò)展卡插到背板上一樣簡(jiǎn)單。通過(guò)采用通用總線，開發(fā)者可以集中精力投入到更高層次的決策中。

圖1：NS9xxx的帶寬控制系統(tǒng)。

ARM公司在高級(jí)微控制器總線架構(gòu)(AMBA)中采用通用總線，允許獲得許可的使用者專注于自己的應(yīng)用開發(fā)，從而快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

微處理器、 DMA控制器、存儲(chǔ)器控制器及其它更高性能的模塊通過(guò)AHB連接。性能較低的模塊，比如UART、通用輸入/輸出(GPIO)及定時(shí)器等，則通過(guò)APB連接。

但是，基于ARM的SoC所瞄準(zhǔn)的許多高端嵌入式應(yīng)用，要求它們?cè)谔幚磉@些應(yīng)用的確定性與實(shí)時(shí)性需求的同時(shí)，還可以訪問(wèn)高帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

這些應(yīng)用要求SoC能夠發(fā)出控制信號(hào)、采集數(shù)據(jù)并在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)?；诓煌木W(wǎng)絡(luò)特性及其帶寬要求，現(xiàn)有SoC總線架構(gòu)的性能將會(huì)得到盡可能的提升，例如，高端聯(lián)網(wǎng)嵌入式應(yīng)用可能要處理通過(guò)以太網(wǎng)連接從照相機(jī)傳輸?shù)酱蛴C(jī)的視頻數(shù)據(jù)位流，或從服務(wù)器傳輸?shù)酱蛴C(jī)的圖像，與此同時(shí)還可能根據(jù)與掃描、刷新和更新周期有關(guān)的確切要求對(duì)本地 LCD顯示進(jìn)行更新。使用外部LCD時(shí)，LCD控制器必須知道通過(guò)該總線傳輸?shù)木唧w字節(jié)數(shù)量、數(shù)據(jù)發(fā)送順序以及數(shù)據(jù)在顯示器上顯示的特定時(shí)隙和順序，同時(shí)也很必要將信息不斷地饋送給LCD用于更新。

圖2： NS9750原理框圖。

共享總線的概念并不能滿足SoC中的這些要求。在典型的AHB設(shè)計(jì)中，總線主控是總線上全部的主要資源，也就是說(shuō)，當(dāng)總線空閑時(shí)，它們可向總線請(qǐng)求完成一個(gè)任務(wù)所需要的時(shí)間。但在基于ARM的SoC中，程序設(shè)計(jì)者不能直接控制當(dāng)它們掌管總線時(shí)可得到多少總線資源。

共享總線架構(gòu)用多種方式來(lái)區(qū)分這些操作的優(yōu)先次序，包括：菊花鏈仲裁、集中式并行仲裁、基于自選或沖突監(jiān)測(cè)的分布式仲裁以及帶多個(gè)總線請(qǐng)求的總線仲裁。但當(dāng)指定的主控接管總線后，其他操作就會(huì)擱置在一邊。目前還沒(méi)有一種機(jī)制能夠讓多個(gè)資源同時(shí)訪問(wèn)總線，使其既滿足應(yīng)用要求，又不會(huì)影響其他重要操作提供確定性及實(shí)時(shí)性響應(yīng)的能力。

在AMBA環(huán)境中處理這類情況的一種通用方法是使用仲裁通道。如果有六個(gè)總線主控，總線便設(shè)計(jì)成有六個(gè)仲裁通道。但是，片上仲裁邏輯根據(jù)請(qǐng)求訪問(wèn)該總線的主控?cái)?shù)目來(lái)分配這些通道，而不是把每個(gè)通道指定給某個(gè)特定的主控。如果有四個(gè)主控請(qǐng)求訪問(wèn)總線，則這六個(gè)通道會(huì)在這四個(gè)主控之間進(jìn)行分配，確保每個(gè)主控有平等的機(jī)會(huì)訪問(wèn)該總線。

然而，這并不能解決如何分配足夠的總線帶寬以完成某一特定任務(wù)這一基本問(wèn)題。若其中一個(gè)操作需要三個(gè)通道，而其它操作總共只需要兩個(gè)通道，則每一種操作將會(huì)分配到相同數(shù)量的可用通道空間。其結(jié)果是，有的通道沒(méi)有充分利用(甚至根本沒(méi)用到)，而有的則超負(fù)荷使用，影響SoC在極低延遲內(nèi)對(duì)事件進(jìn)行確定性響應(yīng)的能力。

可編程總線帶寬控制系統(tǒng)

因此，需要一種可編程的總線帶寬分配方案，在某一特定時(shí)刻為某一特定的主控分配其所需的總線配置，并將剩余的總線空間分配給其它可能要求訪問(wèn)該總線的主控。由于這種方案可能隨時(shí)間改變，因此需要一種機(jī)制以便按照常規(guī)原理重新分配總線資源。

NetSilicon公司已開發(fā)一種新的帶寬控制系統(tǒng)來(lái)取代采用AMBA架構(gòu)的帶寬控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一個(gè)16槽位旋轉(zhuǎn)優(yōu)先級(jí)總線仲裁器(見圖1)，這種仲裁器包含一套可編程偽隨機(jī)或旋轉(zhuǎn)優(yōu)先級(jí)緩存替換算法。例如，在NetSilicon的 NS9750(見圖2)中，AHB上的六個(gè)通道不是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行分配，而是根據(jù)16槽位總線分配方案由六個(gè)總線主控分享。通過(guò)系統(tǒng)控制模塊中的專用寄存器，系統(tǒng)開發(fā)者目前可采用三種方法在SoC中分配總線資源。

在最高層次，某特定總線主控每次發(fā)出的一個(gè)訪問(wèn)請(qǐng)求，都會(huì)按請(qǐng)求順序得到響應(yīng)，直到這六個(gè)主控全被輪詢。根據(jù)所需帶寬，每一個(gè)總線主控可分配到一定數(shù)目的槽位并獨(dú)占這些槽位。例如在NS9750中，四個(gè)槽位分配給CPU，四個(gè)槽位給以太網(wǎng)，四個(gè)槽位給BBus橋，三個(gè)槽位給LCD，三個(gè)槽位給PCI/卡總線，但在系統(tǒng)運(yùn)行期間系統(tǒng)軟件會(huì)根據(jù)需要重新評(píng)估這一分配方案，這可用來(lái)確定AHB總線周期的數(shù)目。如果在下一個(gè)評(píng)估周期中情況沒(méi)有發(fā)生變化，則沿用以前的設(shè)置，如果情況有變，則協(xié)定新的總線主控槽位分配方案。

為對(duì)總線資源進(jìn)行更精確的控制，這種循環(huán)仲裁方案提供兩個(gè)附加層次的可編程性能：分配給ARM CPU的總線帶寬大小以及這16個(gè)槽位中每個(gè)槽位的帶寬利用率。

NS9750的ARM926EJ-S內(nèi)核作為總線主控時(shí)不能控制所有總線資源，缺省情況下它只能控制50%的總線帶寬或16個(gè)槽位中的8個(gè)，這樣可確保其它五個(gè)總線主控可以一直占有至少50%的總線帶寬。不過(guò)，在程序設(shè)計(jì)者直接控制下，它可以按照指令將其部分帶寬釋放給另一個(gè)總線主控，或者，在該總線仲裁周期內(nèi)或程序設(shè)計(jì)者認(rèn)為必要的任何周期中控制另外的槽位。

程序設(shè)計(jì)者也可為每個(gè)槽位選擇帶寬利用系數(shù)——100%、75%、50%或25%。這一選擇是通過(guò)控制何時(shí)以及以怎樣的順序分配每個(gè)槽位的訪問(wèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，系數(shù)為25%，則這個(gè)槽位每四個(gè)周期只能被輪詢一次；系數(shù)為50%，則每?jī)蓚€(gè)周期輪詢一次；75%，則每四個(gè)周期輪詢?nèi)巍?

對(duì)旋轉(zhuǎn)總線仲裁器進(jìn)行編程

程序設(shè)計(jì)者可通過(guò)包含在系統(tǒng)控制模塊內(nèi)的幾個(gè)寄存器定義多種選項(xiàng)。第一個(gè)寄存器是16入口總線請(qǐng)求配置寄存器，它的每一個(gè)入口代表一個(gè)主控和一個(gè)準(zhǔn)許槽位的總線請(qǐng)求。每一個(gè)請(qǐng)求/準(zhǔn)許槽位每次只能分配給一個(gè)總線主控，但根據(jù)總線主控的帶寬要求，每個(gè)總線主控可同時(shí)連接多個(gè)請(qǐng)求/準(zhǔn)許槽位。當(dāng)多個(gè)通道分配給一個(gè)主控時(shí)，這些通道應(yīng)均勻分布在這16個(gè)通道當(dāng)中。

每個(gè)請(qǐng)求/準(zhǔn)許槽位都有一個(gè)兩位的帶寬壓縮字段(BRF)，用以確定每個(gè)槽位能對(duì)系統(tǒng)總線進(jìn)行仲裁的頻率(100%、75%、50%或25%)。BRC將總線請(qǐng)求信號(hào)輸出到第二個(gè)16入口總線請(qǐng)求寄存器(BRR)，默認(rèn)情況下，BRC中未被分配的槽位將阻止用任何總線請(qǐng)求信號(hào)設(shè)置相應(yīng)的BRR入口。

第四個(gè)寄存器用于存儲(chǔ)哪個(gè)總線主控有數(shù)據(jù)在等待向AHB傳輸，而第五個(gè)寄存器則是程序設(shè)計(jì)者用來(lái)為每個(gè)總線請(qǐng)求和準(zhǔn)許槽位(分配給特定總線主控)分配權(quán)重值。

使用循環(huán)仲裁

圖3：NS9xxx的總線架構(gòu)

在前面例子中，當(dāng)基于特定仲裁再分配調(diào)度方案的LCD請(qǐng)求額外的總線訪問(wèn)時(shí)，程序設(shè)計(jì)者可根據(jù)LCD必須處理的數(shù)據(jù)流的性質(zhì)來(lái)指定分配給LCD的優(yōu)先級(jí)。如果程序設(shè)計(jì)者認(rèn)為需要分配10個(gè)槽位給LCD控制器，剩余的6個(gè)槽位會(huì)按最初仲裁方案分配給其它總線主控。這樣LCD控制器可獲得十倍于正常情況下可得到的帶寬，以及十倍于其它主控的帶寬來(lái)處理這種特定情形下的負(fù)載。

當(dāng)通過(guò)以太網(wǎng)連接傳送數(shù)據(jù)、同時(shí)LCD屏幕進(jìn)行刷新的時(shí)候，這種特性十分重要。LCD需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行刷新，且不會(huì)被以太網(wǎng)請(qǐng)求中斷。

在典型的AMBA總線架構(gòu)中，如果LCD對(duì)總線提出請(qǐng)求，不論有怎樣的刷新需求，它都不得不等待直到以太網(wǎng)主控將總線釋放出來(lái)。采用新的循環(huán)可編程仲裁方案，程序設(shè)計(jì)者可降低以太網(wǎng)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)，使數(shù)據(jù)以更低但可接受的速率傳輸，確保LCD得以適當(dāng)?shù)厮⑿露恢劣谑蛊聊怀霈F(xiàn)空白。

如果為保證活動(dòng)畫面顯示對(duì)LCD延時(shí)和帶寬要求極高，則以太網(wǎng)協(xié)議需求還可進(jìn)一步降低傳輸速率。但停止數(shù)據(jù)流傳輸是不可以的。實(shí)際上，如果LCD主控控制了該總線并且只有當(dāng)刷新工作完成后才將總線釋放，則有可能停止數(shù)據(jù)流的傳輸。

在外圍總線中增加突發(fā)模式DMA

在基于AMBA的設(shè)計(jì)中，外圍總線的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是假定基于ARM內(nèi)核的嵌入式器件用于低端性能應(yīng)用。但現(xiàn)在的器件經(jīng)常需要在不切斷低帶寬外圍電路訪問(wèn)總線資源的情況下，運(yùn)行一種或多種高帶寬應(yīng)用。在具有較多外圍電路的設(shè)計(jì)中，這種情況特別容易出問(wèn)題。例如NS9750或NS9360，它們支持USB、I2C，具有四個(gè)多功能串行模塊(可選用UART或SPI，同步模式下的速率可達(dá)11Mbps)、50個(gè)單獨(dú)的可編程GPIO引腳、一個(gè)IEEE1284外圍端口以及16個(gè)通用定時(shí)器或計(jì)數(shù)器(每個(gè)都有自己的I/O引腳)。

在傳統(tǒng)的APB實(shí)現(xiàn)方案中，采用FIFO就足以應(yīng)付通信外設(shè)(如UART)的低速率傳輸，F(xiàn)IFO可以在處理器必須介入并訪問(wèn)APB之前將數(shù)個(gè)字節(jié)傳送到接口。但在本文所描述的許多高端嵌入式應(yīng)用中，一個(gè)或多個(gè)這樣的外圍電路可能需要高帶寬傳輸，要求能通過(guò)APB/AHB橋快速訪問(wèn)主要的高性能總線。

一種讓外圍總線工作于這種突發(fā)模式的方法，是僅用一條突發(fā)模式外圍總線(如NetSilicon的 BBUS)替代APB總線。這種突發(fā)模式外圍總線帶有四個(gè)支持突發(fā)模式的總線主控(見圖3)：第一個(gè)總線主控是具有13個(gè)通道的DMA引擎，支持13個(gè)USB端點(diǎn)；第二個(gè)總線主控是具有12個(gè)通道的DMA引擎，支持4個(gè)串行模塊(每個(gè)串行模塊有8個(gè)通道)和1284端口；第三個(gè)總線主控為BBUS-AHB橋，它包含一個(gè)DMA引擎，該引擎具有可訪問(wèn)AHB系統(tǒng)總線的通道；第四個(gè)總線主控是一個(gè)USB宿主模塊。另外，這種DMA引擎有兩個(gè)獨(dú)立的專用DMA通道，可支持連接到外部存儲(chǔ)總線的外部設(shè)備。為簡(jiǎn)化突發(fā)模式狀態(tài)，每一個(gè)內(nèi)部DMA通道以“飛越模式”(fly-by mode)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器及BBUS外圍電路之間傳輸數(shù)據(jù)，而兩個(gè)外部DMA通道則選擇存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的傳輸模式。