Introduction To AMBA 简单理解

前言

之前在 很多文章都都提及到 AMBA ,知道 它是 ARM 的 总线实现,且是一个非常重要的组成部分

• soc(一) soc核心组件
• soc(八) 总线
• 处理器架构 (九) arm soc 文档
• ARM 处理器 总览

这些文章都是只提及了AMBA ,但是没有介绍.
最近在熟悉 ARM 内存模型 中的 shareability 的概念时, 涉及到了 ACE , ACE 就是 AMBA 总线的内容.
并且发现 从 AMBA 层面 理解 shareability 更为有效.
另外,公司的芯片中也有很多总线,然后访存的时候,涉及到总线,我总是忽略了.
综上,打算学习一下 AMBA 总线.了解总线设计
第一步,是 总线的功能 , 以及接口
第二步,是 总线概念与各种ARMv8概念对接
第三步,是 总线的内部实现

简介

AMBA 是 ARM 独有的总线名称, x86/rv的没有了解过,TODO
AMBA 用来连接 ARM 的 各个IP , 例如 cpu dma 外设
当CPU访存的时候,数据就会在总线中流动 . 当然,总线不只是提供数据流动,还要处理很多负责的事情,例如冲突 一致性 等问题需要总线处理.
我基于 DVI0010.pdf ,先简单理解一下 AMBA . 这份文档很老了,而且只有一个版本的release,是 1996年的.那就先了解一下的1996年的 AMBA(AMBA1)设计吧.

AMBA 的演进

AMBA 演进图解

AMBA specifications

• amba specifications 2022-7-3 15:31:55
  

AMBA1.0

1.1 Introduction to AMBA

AMBA是一种片上总线规范，用于将宏单元（如CPU、DSP、外围设备和内存控制器）连接在一起，形成微控制器或复杂的外围芯片。

之所以将AMBA独立出来,作为一个专门的技术,是因为想要达成这些目标
	•促进具有一个或多个CPU/信号处理器和多个外围设备的嵌入式微控制器的“首次正确”开发
	•最大限度地减少片上总线和片外制造测试访问所需的硅开销
	•独立模块技术：
		-在广泛的集成电路工艺中提高外围和系统宏单元的可重用性
		-以适合全定制、标准单元和门阵列技术的方式
	•缩短上市时间，促进芯片系列路线图。AMBA鼓励模块化设计和处理器独立性，有助于外围库的开发，并允许随时使用先进的缓存CPU核。

为了达成这些目标,该体系结构具有以下关键特征：
	•高度模块化
	•多主机支持
	•低功耗强调
	•创新的测试方法

license 相关
	AMBA规范是开放的。
	任何人都可以从ARM获得该规范的免费副本，并使用该协议设计芯片。
	没有相关的许可证或特许权使用费
	规范是开放的,但是rtl不是免费的

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1.2 AMBA Specification

AMBA规范定义了：
	•一种高速、高带宽总线，即高级系统总线（ASB）
	•一种简单、低功耗的外围总线，即高级外围总线（ASP）
	•访问外部测试仪，以允许对缓存RAM进行模块化测试和快速测试
	•基本内务操作（重置/通电、初始化和断电）
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• ASB

Advanced System Bus
高性能总线是主系统的“主干”。该总线还能够维持外部总线接口所需的数据速率。
CPU和其他总线主机（如DMA控制器）以及高速本地内存通常连接到此总线。
（ASB通过桥连接到更简单的APB-见下文）
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• APB

简单、低速、低功耗的外围总线。
这通常（但并非总是）是一条较窄的总线，并且设计为简单（即非管道化），用于连接许多常见的外围设备，
如计时器、并行i/O端口、UART等
（通过将这些不经常访问的外围设备放置在APB上，并将其从ASB中分离出来，可以减少ASB上的负载，并更容易实现ASB上的最大性能）
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• External interface

一般用于 接外部内存

这也用于测试访问。（这通常是一个外部内存接口，但可以使用任何合适的引脚集。）
外部测试仪可以控制总线，并依次单独检查每个组件。
这种模块化方法促进了测试向量的可重用性。并行访问方法允许快速测试，尤其是缓存的CPU。
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• 基本事务操作

基于AMBA的微控制器还包含重置和电源管理信息，以确保：
•单总线驱动器通电
•持续的省电或断电模式
•冷/温/看门狗重置的重置机制
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1.2.1ASB

ASB设计用于高性能、高带宽使用：
	•非多路复用（即独立）地址和数据总线
	•支持流水线操作（包括仲裁）
	•支持多个总线主机，硅开销低
	•支持多个从设备，包括到外围总线（APB）的桥接器
	•集中式解码器和仲裁器
绝对传输速率取决于许多设计因素，但出于比较目的，如果假设32位数据路径和100MHz时钟，则可以实现200字节/秒的速率。这些图不受规范限制，只是为了澄清。
通过使用总线请求、总线授权和总线锁定信号支持多个总线主控器。这些信号的使用是可选的；如果您只有一个总线主控器，则不会因实现这些总线控制线路而受到惩罚。
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1.2.2 APB

APB设计为ASB的二次总线，通过桥接器连接（限制ASB负载）。APB是一种简单得多的总线，具有低功耗重点：
	•数据访问仅由选择和选通控制（即无时钟，从而降低功率）
	•总线未使用时，功耗几乎为零
	•简单的未布线接口，是许多简单外围宏单元所需的典型接口。
数据传输速率取决于外围设备的速度。单个读取或写入周期需要5个时钟，因此假设32位数据路径和100MHz时钟，数据速率为80MB/s。这些图不受规范限制，只是为了澄清。可以更容易地优化APB的数据总线，以适合所连接的外围设备。许多外围设备具有狭窄的数据路径需求，一种机制可能是连接桥旁边的32位外围设备和最远的8位外围设备，从而减少总线所需的芯片面积。
虽然AMBA中未指定时钟策略，但桥接器和APB提供的分区确实为最小化功耗提供了一个良好的起点。许多外围设备（计时器、波特率发生器、pwm单元）需要一个向下划分的系统时钟，在电桥附近放置一个可编程的分频器既方便又省电。
APB中没有总线主控（除了网桥）。所有外围设备都充当从属设备。

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1.2.3 ASB VS APB

ASB用于CPU、DSP、DMA控制器和其他总线主机，或高性能外围设备（通常带有FIFO）
APB用于非流水线、寄存器映射的从属外围设备，尤其是当外围设备数量较多且需要将功耗降至最低时
ASB和APB共享AMBA中包含的测试方法
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1.2.4 External interface 中的 TIC(Test Interface Controller) 功能

测试接口控制器（TIC）是一个ASB总线主机，它使用外部总线接口（或其他合适的引脚）为外部测试设备提供测试访问。
该机制允许低门计数测试访问端口，提供快速并行访问，这对于测试缓存RAM至关重要。
这种测试方法允许在芯片之间重复使用测试向量，节省了宝贵的时间并降低了风险。例如，当重新使用外围宏单元时，测试向量模块（已以经验证的测试形式存在）可以重新使用，测试程序的上层仅在芯片之间特定。
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1.3 总结

自1995年9月以来，AMBA规范一直保持稳定。这是一种经过验证的总线架构，已用于ARM7100和许多其他高集成度微控制器中。
AMBA成功解决了以下问题：
芯片架构
	通过使设备能够一致地划分为高速、低功耗和生产测试部分。
项目管理
	通过鼓励宏单元重复使用，从而减少开发时间和风险
产品路线
	通过独立于技术和流程，并允许重新使用更新、更具竞争力的流程
生产测试
	通过提供一种快速测试缓存RAM和以模块化方式重用测试向量的机制

ARM正在继续围绕AMBA开发支持工具和环境，包括第三方EDA工具供应商
	参考 1.4.2	
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1.4 Appendices

1.4.1 Document references

AMBA Specification 							ARM IHI 0001 // 对应 AMBA 2
ARM7100 Data sheet 							ARM DDI 0035
ARM AMBA-peripheral data sheets 			ARM DDI 0017
ARM MicroPack data sheets					ARM DDI 0014
ARM Reference Peripherals Specification		ARM DDI 0062
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1.4.2 AMBA-related products and support

ARM正在AMBA周围和之上发展广泛的支持，如下所示：

MicroPack微型封装

MicroPack是一组HDL模型，实现了一个示例AMBA系统和一个符合性测试套件。还包括将CPU连接到AMBA高速总线的各种包装器。ARM的许多合作伙伴已获得MicroPack许可，可以直接支持OEM。例如
	•提供AMBA系统样本的HDL模型
	•提供开发卡
	•ARM和合作伙伴的外围设备集成。
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开发卡Development card
这在PCB上实现了AMBA。该卡允许使用各种CPU（通过头卡），并在FPGA中原型化外围设备。
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Peripheral Library 外围库
ARM正在开发越来越多的AMBA兼容外围设备，以加快高集成度微控制器的设计。这些外围设备特别适合PDA和网络计算机应用。
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Consultancy咨询
ARM咨询集团拥有相当多的AMBA专业知识。该组已经调整了多个CPU以具有AMBA本机总线。其他专业知识包括实施AMBA兼容的外围设备，到设计具有基于AMBA的创新架构的高集成度微控制器。
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Real-time ICE
ARM开发了一种使用AMBA的实时在线仿真器的创新概念，并获得了专利。实时ICE目前正在开发中，很可能在1997年第一季度以后提供。
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3rd-Party 
EDA工具供应商将宣布从1996年第4季度开始支持AMBA。
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cortex-a57 cortex-a53 与 AMBA

我关注的硬件架构 为 armv8, 微架构 cortex-a57
The Cortex-A57 processor complies with the:
• AMBA 4 AXI Coherency Extensions (ACE) protocol if the processor memory interface implements an ACE bus interface. 
	See the ARM® AMBA® AXI and ACE Protocol Specification.
• AMBA 4 Advanced eXtensible Interface (AXI) protocol for the Accelerator Coherency Port (ACP) slave interface. 
	See the ARM® AMBA® AXI and ACE Protocol Specification.
• AMBA 3 Advanced Peripheral Bus (APB) protocol. 
	See the ARM® AMBA® APB Protocol Specification.
• AMBA 3 Advanced Trace Bus (ATB) protocol. 
	See the ARM® AMBA® 3 ATB Protocol Specification.


The processor complies with the CHI architecture if the memory interface implements a CHI bus
interface.

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The Cortex-A53 bus interface natively supports one of:
• AMBA 4 ACE bus architecture. 
	See the Arm® AMBA® AXI and ACE Protocol Specification AXI3, AXI4, and AXI4-Lite, ACE and ACE-Lite.
• AMBA 5 CHI bus architecture. 
	See the Arm® AMBA® 5 CHI Protocol Specification.
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看起来cortex-a53/a57 都要有
	ATB 和 APB 和 AXI
	ACE/CHI 两者选其一

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