SOC设计中APB协议总线的工作原理
现在来讲soc的神经末梢，它们依附在骨架上，受和调控制，并将外部信息分享给核心以及其他成员。它是什么呢？
它就是我们所说的标准总线。soc上所有模块想要被核心控制，都需要挂载到crossbar上，以便cpu下配置，以及cpu和dma进行数据传输。我们以最简单的apb总线入手，来进一步了解标准总线的工作原理。
1、apb协议简介
apb(advanced peripheral bus) 作为高级外设总线是amba协议之一，也是最基本的总线协议。按照arm官方定义，apb是一种低成本的接口协议，可以实现低功耗以及精简的接口设计，降低接口设计的复杂度。
apb协议不支持流水线设计，它主要应用在低带宽设计需求的接口中，高性能带宽需求可以使用axi总线。apb协议的实现与时钟沿对齐，以简化外设接口的设计。每次传输至少需要消耗两个时钟周期。
在soc设计中，ahb一般作为ip的配置接口，包括低速ip如i2c,uart,i2s等，也包括ddr,pcie,ethernet等高速ip，可以方便的实现cpu对外设ip的寄存器配置。系统中一般会实现一个axi2apb或者ahb2apb的转换桥将apb口挂载在系统上。
apb的传输信号只与时钟上升沿有关，故其具备以下优点：
·易于实现高频操作；
·性能与时钟占空比无关；
·静态时序分析简单；
·易于与基于上升沿的寄存器访问；
·易于集成到基于周期的仿真器中。
1.1、apb的发展史
协议已经从apb2.0发展到现在的apb4.0。具体区别如下：
·apb2.0 ：该版本协议定义基本的接口信号（具体可见端口信号章节，删除apb3.0有的接口就行);
·apb3.0：增加信号pready用以指示slave准备好数据，增加信号pslaverr代表传输错误；
·apb4.0：增加信号prot保护类型，增加信号pstrb来支持byte级的访问；
2.0和3.0的区别是什么？
apb2.0和apb3.0的差别：apb3.0提供了一个低功耗的接口，并降低了接口的复杂性。且apb3比apb2增加了两个信号：
pready：来扩展apb传输，主要是增加延时；
错误信号pslverr：来指示传输失败。
3.0和4.0的区别是什么？
·增加了prot和prstb两个信号。
·pprot一种保护信号，用于支持apb上的非安全交易和安全交易。
·pstrb一个写选通信号，用于在写数据总线上进行sparse data transfer（稀疏数据传输）。apb4用的比较少。
apb协议向下兼容。
目前soc上最常用的是apb2.0和apb3.0，下面我们主要介绍这两个版本。
2、apb 2.0
2.1、apb2.0信号列表
这里需要区分master和slave的区别，master是主机，slave是从机，一个总机下可以有n个从机，所有的数据传输都是master来控制的，slave来回应。这里需要用到apb 1to多bridge，apb bif不需要仲裁，只需要对地址的decode，如果地址处于某个slave的域内，就拉高它的pseln等控制信号，n为slave号。
apb2.0信号
2.2 、状态机
通过pselx和penable信号的变化，使apb总线处于下面3个状态：
状态机
·idle：pselx和penable都为0，表明master和slave之间无通信请求，因此处在该状态。
·setup：当master和某一个slave之间准备进行数据传输时，会进入该状态，这时pselx=1，penable=0。意思是master选中某一个slave告诉slave我准备要和你交换数据啦，请你准备好！这个状态会保持一个时钟周期然后进入enable状态。这个状态可以直接给wdata。
·enable：这个时候penable拉高，master和某一slave进行数据传输，持续一个时钟周期。这个状态开始等待rdata。
在自己写master时，就按照这个状态输出控制信号就可以了。
2.3 、写操作
下面就是写传输的时序图：
写时序
·t1~t2：这个阶段master和某一slave无交互数据，因此处于idle状态。
·t2：在该时刻，master准备将数据写入某一slave中，因此进入setup状态，同时把某一slave的psel信号拉高，pwrite信号拉高，这表示master告诉某一slave：我即将要和你进行数据传输，是我把数据写到你里面，请你准备好！同时改变paddr和pwdata信号，这是为了满足下个上升沿的时序。
·t2~t3：保持一个时钟周期。
·t3：此时将penable信号拉高，真正将wdata写到addr。
·t3~t4：保持一个时钟周期。
·t4：数据传输结束，再次回到初始状态。
2.4、读操作
读时序
·t1~t2：这个阶段master和某一slave无交互，因此处于idle状态
·t2：在该时刻，master准备从某一slave中读取数据，因此进入setup状态，同时把某一slave的psel信号拉高，pwrite信号拉低，这表示master告诉某一slave：我即将要和你进行数据传输，是我要读你的数据，请你准备好！同时改变paddr，这是为了满足下个t4采样沿的时序。
·t2~t3：保持一个时钟周期。
·t3：此时将penable信号拉高，表示master正式把某一slave之中的数据读出来，注意，数据在enable周期末尾的时钟上升沿被采样，也就是t4时刻。
·t3~t4：保持一个时钟周期。
·t4：数据传输结束，再次回到初始状态。
3、apb 3.0
apb 3.0协议是在apb 2.0协议的基础上新加了2个信号，pready和pslverr组成的；pready信号是slave设备用来表示slave是否准备好的信号，pslverr是表示slave接收的数据是否有误。
信号表
apb3.0信号
3.1、写操作
写操作，无等待
写无等待时序
该种情况和apb2.0没有任何区别，当penable拉高后，会检查pready是否拉高，如果拉高表示slave当前准备好了数据传输，则在上升沿3将数据写给salve。
写操作，有等待
写有等待时序
如果penable拉高后，发现pready没有拉高，则表示slave还没有准备好数据传输，这时所有信号保持不变直到pready拉高，在上升沿5将数据写入。
3.2、读操作
读操作，无等待
读无等待时序
该种情况和apb2.0没有区别，与写操作无等待类似，不再细说
读操作，有等待
读有等待时序
当penable拉高后，发现pready信号还没有拉高，表示slave还没有准备好，这时会等待直到pready信号拉高，在上升沿6时刻采样数据
3.3、错误反馈
pslverr来指示apb传输上的错误情况。读取和写入事务都可能发生错误。当psel，penable和pready均为高电平时，仅在apb传输的最后一个周期内才认为pslverr有效，其他时间不考虑pslverr。
写操作
slverr写时序
在前面的有等待的写操作的基础上，添加pslverr，也就是在t4时刻采样，发现psel，penable和pready均为高电平的前提下，pslverr为高，说明这次数据传输有错误。软件决定后续行为。
读操作
读slverr时序
在前面的有等待的读操作的基础上，添加pslverr，也就是在t5时刻采样，发现psel，penable和pready均为高电平的前提下，pslverr为高，说明这次数据传输有错误。软件决定后续行为。
4、apb应用场景。
apb因为其面积小，接口少，经常用在外设上，为什么呢？
因为soc上外设很多，包括spi,i2c,uart,timer,wdt等，他们对时钟要求不高，如果使用apb接口，可以省面积，降低芯片的复杂度。这也是为什么外设优先的标准接口是apb。
这里主要讲一些apb在soc上的特殊用法。
·某些ip预留用户控制信号，我们需要用寄存器控制此信号，一般soc每个子系统都会有一个模块专门做这个事情，这是就可以选择apb接口用来配置这些寄存器。
·某些ip，例如srio，serdes预留用户配置接口，synosys叫做cr配置口，用于配置或者debug。这时候我们可以自己写一个apb2cr的桥。
·核间通讯模块。通过写寄存器产生中断输出，这时候可以使用apb接口，因为中断发生次数少，无性能要求，可以使用apb，简单。
·apb转sram接口或者apb转fifo。某些模块对外接口是sram，需要我们使用转接桥，根据性能我们选择使用合适的amba总线；自研模块数据缓存时,涉及到异步处理,这时候可能用到apb转fifo的设计。
但是他也有局限,带宽低且不支持pipeline,所以module有这些要求不要使用apb。
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apb协议不支持流水线设计，它主要应用在低带宽设计需求的接口中，高性能带宽需求可以使用axi总线。apb协议的实现与时钟沿对齐，以简化外设接口的设计。每次传输至少需要消耗两个时钟周期。
在soc设计中，ahb一般作为ip的配置接口，包括低速ip如i2c,uart,i2s等，也包括ddr,pcie,ethernet等高速ip，可以方便的实现cpu对外设ip的寄存器配置。系统中一般会实现一个axi2apb或者ahb2apb的转换桥将apb口挂载在系统上。
apb的传输信号只与时钟上升沿有关，故其具备以下优点：
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·性能与时钟占空比无关；
·静态时序分析简单；
·易于与基于上升沿的寄存器访问；
·易于集成到基于周期的仿真器中。
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协议已经从apb2.0发展到现在的apb4.0。具体区别如下：
·apb2.0 ：该版本协议定义基本的接口信号（具体可见端口信号章节，删除apb3.0有的接口就行);
·apb3.0：增加信号pready用以指示slave准备好数据，增加信号pslaverr代表传输错误；
·apb4.0：增加信号prot保护类型，增加信号pstrb来支持byte级的访问；
2.0和3.0的区别是什么？
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pready：来扩展apb传输，主要是增加延时；
错误信号pslverr：来指示传输失败。
3.0和4.0的区别是什么？
·增加了prot和prstb两个信号。
·pprot一种保护信号，用于支持apb上的非安全交易和安全交易。
·pstrb一个写选通信号，用于在写数据总线上进行sparse data transfer（稀疏数据传输）。apb4用的比较少。
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目前soc上最常用的是apb2.0和apb3.0，下面我们主要介绍这两个版本。
2、apb 2.0
2.1、apb2.0信号列表
这里需要区分master和slave的区别，master是主机，slave是从机，一个总机下可以有n个从机，所有的数据传输都是master来控制的，slave来回应。这里需要用到apb 1to多bridge，apb bif不需要仲裁，只需要对地址的decode，如果地址处于某个slave的域内，就拉高它的pseln等控制信号，n为slave号。
apb2.0信号
2.2 、状态机
通过pselx和penable信号的变化，使apb总线处于下面3个状态：
状态机
·idle：pselx和penable都为0，表明master和slave之间无通信请求，因此处在该状态。
·setup：当master和某一个slave之间准备进行数据传输时，会进入该状态，这时pselx=1，penable=0。意思是master选中某一个slave告诉slave我准备要和你交换数据啦，请你准备好！这个状态会保持一个时钟周期然后进入enable状态。这个状态可以直接给wdata。
·enable：这个时候penable拉高，master和某一slave进行数据传输，持续一个时钟周期。这个状态开始等待rdata。
在自己写master时，就按照这个状态输出控制信号就可以了。
2.3 、写操作
下面就是写传输的时序图：
写时序
·t1~t2：这个阶段master和某一slave无交互数据，因此处于idle状态。
·t2：在该时刻，master准备将数据写入某一slave中，因此进入setup状态，同时把某一slave的psel信号拉高，pwrite信号拉高，这表示master告诉某一slave：我即将要和你进行数据传输，是我把数据写到你里面，请你准备好！同时改变paddr和pwdata信号，这是为了满足下个上升沿的时序。
·t2~t3：保持一个时钟周期。
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·t3~t4：保持一个时钟周期。
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·t2~t3：保持一个时钟周期。
·t3：此时将penable信号拉高，表示master正式把某一slave之中的数据读出来，注意，数据在enable周期末尾的时钟上升沿被采样，也就是t4时刻。
·t3~t4：保持一个时钟周期。
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3、apb 3.0
apb 3.0协议是在apb 2.0协议的基础上新加了2个信号，pready和pslverr组成的；pready信号是slave设备用来表示slave是否准备好的信号，pslverr是表示slave接收的数据是否有误。
信号表
apb3.0信号
3.1、写操作
写操作，无等待
写无等待时序
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写操作，有等待
写有等待时序
如果penable拉高后，发现pready没有拉高，则表示slave还没有准备好数据传输，这时所有信号保持不变直到pready拉高，在上升沿5将数据写入。
3.2、读操作
读操作，无等待
读无等待时序
该种情况和apb2.0没有区别，与写操作无等待类似，不再细说
读操作，有等待
读有等待时序
当penable拉高后，发现pready信号还没有拉高，表示slave还没有准备好，这时会等待直到pready信号拉高，在上升沿6时刻采样数据
3.3、错误反馈
pslverr来指示apb传输上的错误情况。读取和写入事务都可能发生错误。当psel，penable和pready均为高电平时，仅在apb传输的最后一个周期内才认为pslverr有效，其他时间不考虑pslverr。
写操作
slverr写时序
在前面的有等待的写操作的基础上，添加pslverr，也就是在t4时刻采样，发现psel，penable和pready均为高电平的前提下，pslverr为高，说明这次数据传输有错误。软件决定后续行为。
读操作
读slverr时序
在前面的有等待的读操作的基础上，添加pslverr，也就是在t5时刻采样，发现psel，penable和pready均为高电平的前提下，pslverr为高，说明这次数据传输有错误。软件决定后续行为。
4、apb应用场景。
apb因为其面积小，接口少，经常用在外设上，为什么呢？
因为soc上外设很多，包括spi,i2c,uart,timer,wdt等，他们对时钟要求不高，如果使用apb接口，可以省面积，降低芯片的复杂度。这也是为什么外设优先的标准接口是apb。
这里主要讲一些apb在soc上的特殊用法。
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·某些ip，例如srio，serdes预留用户配置接口，synosys叫做cr配置口，用于配置或者debug。这时候我们可以自己写一个apb2cr的桥。
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·apb转sram接口或者apb转fifo。某些模块对外接口是sram，需要我们使用转接桥，根据性能我们选择使用合适的amba总线；自研模块数据缓存时,涉及到异步处理,这时候可能用到apb转fifo的设计。
但是他也有局限,带宽低且不支持pipeline,所以module有这些要求不要使用apb。
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