片上系统的总线结构发展现状及前景

引言

　　片上系统是在单芯片上实现全部电子系统的集成，通过使多个设备集成在一个芯片上，实现系统级的功能，减少甚至不再需要外部器件的使用，达到应用功能的快速实现、灵活修改及方便升级。进行片上系统设计时，首先要考虑的问题是系统的体系结构。为了提高开发模块的重复利用率，降低开发成本，用户采用了片上系统（芯片内部）总线。与芯片间总线（如SPI、I2C、UART、并行总线）、板卡间总线（ISA、PCI、VME）、设备间总线（USB、1394、RS232）不同的是，片上系统总线为用户提供了一个堪称“理想”的环境：片上系统模块间不会面临干扰、匹配等传统问题；但是片上系统的时序要求异常严格。

　　由于OpenCore和其它致力于开放知识产权（Open Intellectual Property）的组织的大力推广（开发设计了大量基于标准化片上总线的免费模块），用户在片上系统总线的选择上更倾向于采用那些标准化、开放化的方案。目前，业界采用比较多的标准化、开放化的总线方案包括：IBM 公司的CoreCONnect、ARM的AMBA和Silicore公司的Wishbone。

1  三种总线的逻辑结构图及描述

1.1  IBM CoreConnect综述

　　图1是CoreConnect的逻辑总线结构图。

图1  CoreConnect逻辑总线结构图

　　从图1可以看到CoreConnect定义了一个清晰的结构，囊括了所有系统组件和它们之间的连接。它一共设计了3种总线和1个高性能总线与低性能总线连接的桥，分别是OPB、PLB、DCR总线和OPB桥。OPB总线连接外部设备；PLB总线连接处理器、外部高速缓存和高速存储器，是解决处理器运算瓶颈的总线；DCR总线将所有连接在PLB上的模块通过雏菊花环的方式进行互联配置，通过它来分配配置信息，减少对OPB和PLB总线的带宽占用；OPB桥实现了PLB总线和OPB总线的互联。因为PLB和OPB的性能差异，所以设计中OPB桥在OPB总线端相当于一个主OPB设备，而在PLB总线端则相当于一个从PLB设备。这样在从PLB设备发出信号时，主OPB设备就根据它的可接收情况进行分拆、重发等等。

1.2  ARM的AMBA综述

　　图2是AMBA的逻辑总线结构图。

图2  AMBA逻辑总线结构图[page]

　　从图2可以看到，AMBA也设计了3种总线结构和1个总线之间的桥。不同的是，AHB/ASB总线是并列的关系。AHB/ASB总线都是系统总线，都可以实现与高性能设备的高速连接。ASB总线是ARM的第一代系统总线，但是ARM还是建议在新的设计中使用AHB总线。这不仅因为AHB可以实现更高性能的连接，而且由于AHB在使用ASIC开发的自动设计工具中整合起来更容易。APB桥的功能只是减少低性能总线对高性能总线造成的延迟。

1.3  Silicore的Wishbone综述

　　图3是Wishbone的逻辑总线结构图。

图3  Wishbone逻辑总线结构图

　　图3中Wishbone的逻辑结构是这三种总线结构中最简单的一种，而且它只定义了一种总线结构——高速总线。如果一个系统既需要高速，也需要低速外部设备总线，则可以提供两个不同的Wishbone接口。这样要比设计两个不同的总线接口简单。Wishbone的用户必须根据具体情况对协议标准进行扩展和详细设计，定义数据顺序和标签的意义。其它的特性和函数同样也可以由用户自行添加。从这个意义上说，Wishbone更像是给出了一个框架，等待用户提出具体的实现方法和规范。

2  分析和对比

　　所有这三种总线都采用完全同步的方式，以时钟信号为参考，在时钟信号上升沿进行数据驱动或采样。此外，它们在总线操作方式上也基本相同。三种总线最显著的不同之处在于它们具体的性能参数、提供协议的完整性以及对协议应用的严格性。

　　表1主要对CoreConnect的PLB总线和AMBA的ASP总线结构作一对比，以便更清楚地看到这两个系统的性能差别。

表1

　　还有一个很重要的问题是如何使用。虽然三种总线都声明是免费使用的，但是IBM的CoreConnect和ARM的AMBA都要求用户注册，使用中要标明原公司出处。更重要的是，对IBM和ARM来说总线是免费的，但是连接这些总线的IP不是免费的。当然可以自己设计符合以上两种总线标准的IP，并免费提供给别人使用，但是IBM和ARM可没有这样做。相反，开放知识产权模块组织（OpenCoreS.ORG）将Wishbone作为自己开发SoC系统采用的总线结构。这在其网站上可以看到。

3  结论

　　从这三种结构上我们可以看到，它们的设计程度是重、中、轻三个等级。IBM的CoreConnect是重度设计，适合复杂和高端的应用，需要遵守严格的操作协议；AMR的AMBA是中度设计，适合较复杂的应用，需要遵守较简单的操作协议；而Wishbone是轻度设计，适合较简单、灵活、增加自己定义部分的应用，使用是完全免费的。

　　IBM的先天优势使得CoreConnect能在业界长期存在，即便它不被广泛接受。由于ARM的大力推广和AMBA自身的技术特性，这种总线协议会在大多数应用领域被更多的设计者采用；而由于OpenCoreS组织的大力支持，Wishbone总线也将在比较长的时间内，在自由设计者和中小型EDA企业中占据主导地位。