三种总线的逻辑结构描述及在片上系统中的应用
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。
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。
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。
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。
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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。
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。
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图2是amba的逻辑总线结构图。
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。
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图3是wishbone的逻辑总线结构图。
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。
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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。
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