一文了解AMBA总线协议和体系结构

作为一名新时代的ICer，一定必定肯定听说过AMBA协议，但是却少有人知道AMBA协议的evolution过程，本文将大致聊聊Evolution of the ARM AMBA Specifications！

高级微控制器总线架构（AMBA）总线协议是ARM的一组互连规范，用于标准化各种功能模块（或IP）之间的片上通信机制，以构建高性能SOC设计。这些设计通常将一个或多个微控制器或微处理器以及其他几个组件（内部存储器或外部存储器桥接器、DSP、DMA、加速器和各种其他外设（如PCIE、USB、UART、I2C等）集成在单个芯片上。AMBA协议的主要目的是建立一种标准且有效的方法来互连这些模块，并在多个设计中重复使用。

学习AMBA协议的第一步是了解这些协议的确切使用场景，这些协议是如何演变的，以及它们如何适用于SOC设计。下图（参考AMBA 2规范）说明了基于AMBA的传统SOC设计，该设计使用AHB或ASB协议进行高带宽互连，并使用APB协议进行低带宽外设互连。

随着越来越多的功能模块集成到SOC设计中，共享总线协议AHB/ASB很快就开始受到限制。2003年，新修订版AMBA 3引入了点对点连接协议——AXI 3。2010年，又推出了增强版——AXI4。如下图，可以看出协议的演变以及业界SOC设计趋势。

下图则说明了如何使用AXI互连来构建具有各种功能模块的SOC，并通过主从协议进行通信。互连可以是定制的crossbar或switch设计，甚至可以是支持多个AXI masters和slaves的现成NOC（片上网络）IP。与以前的AHB/ASB总线相比，AXI互连有助于扩展agent数量的连接。其中一个slave端口上的AXI2APB桥接器，通常用于通信桥接到APB总线上的一组外设。

进一步的演变发生在移动和智能手机时代，SoC具有双/四/八核处理器，使得在具有一致性缓存的多个CPU核集成在单个芯片上时，需要实现有效的数据共享和一致性管理。这导致在AMBA 4版本中引入了ACE。

最后，在当前HPC和数据中心市场异构计算的时代，集成趋势继续随着处理器核心数量的增加以及GPU、DSP、FPGAs、memorycontrollers和IO子系统等几种异构计算元素的增加而增加。2013年，AMBA 5引入了CHI协议，作为对AXI/ACE协议的重新设计。基于信号的AXI/ACE协议被新的基于数据包的CHI分层协议所取代。

以上就是AMBA协议演变的大致过程，ARM已经开源了所有协议，所有spec都可以从ARM网站免费下载：

• APB:(Advanced Peripheral Bus)用于连接低带宽外设。它是一种简单的非流水线协议，可用于通过共享总线从brigde/master与多个slave进行通信(读或写)。读和写共享同一组信号，不支持burst传输。

• AHB:(Advanced High-performance Bus)用于在共享总线上连接需要较高带宽的组件。这些可以是内部存储器或外部存储器接口，DMA等，但共享总线将限制agent的数量。与APB类似，这是一个用于多个master和slave的共享总线协议，但可以通过burst传输实现更高的带宽。

• AHB-lite:AHB-lite协议是AHB的简化版本。只支持单个master设计，并且移除了arbitration，retry，split等功能。

• AXI:(Advanced eXtensible Interface)对于高带宽和低延迟互连非常有用。这是一种点对点互连，克服了共享总线协议在可连接的agent数量方面的限制。该协议是AHB的增强版，支持outstanding传输、burst传输、独立读写通道以及不同总线宽度。

• AXI-lite:AXI-lite协议是AXI的简化版本，不支持burst传输、乱序传输等等。

• AXI-stream:它只支持数据从master流到slave。协议中没有独立的读/写通道，因为它只在一个方向上进行传输。不需要地址传输，只传输数据，没有其他控制信号，在视频流等设计中非常有用。

• ACE:(AXI CoherencyExtensions)是对AXI 4协议的扩展，它在多个CPU核心与一致性缓存集成在单个芯片上的时代得到了发展。ACE协议通过引入独立的snoop地址、snoop数据和snoop响应通道，扩展了AXI读写数据通道。这些额外的通道提供了实现基于snoop的一致性协议的机制。

• ACE-lite:ACE还为那些没有自己的缓存,但仍然属于可共享一致性域的agent提供了一个简化版本的协议。典型的agent(如DMA或网络接口agent)可以使用ACE-lite协议实现这种“单向”一致性。

• CHI:(CoherentHub Interface)随着SOC上一致性cluster数量的增加，以及其他异构计算元素和内存控制器的加入，AMBA5引入了CHI协议，作为ACE协议的完全重新设计。CHI协议使用分层的基于数据包的通信协议，包括协议层、链路层和物理层的实现，并支持基于QoS的流控制和重试机制。

进一步学习的最好方法是阅读spec，了解协议的每一个细节。APB和AHB相对简单，可以快速上手，AXI、ACE和CHI相对复杂，需要详细阅读并理解缓存一致性和通用通信协议的基础知识。

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