OPB_AHB桥接器的功能特性和如何实现应用设计
1.引言
soc（system on a chip）自20世纪90年代后期出现以来，广受学术界和工业界的关注， soc通常将微处理器、 ip（intelligence property）核和存储器（或片外存储控制接口）集成在单一芯片上，具有小型、轻量、低功耗、多功能、高可靠和低成本化等特征，在计算机、通信、消费类电子、工控、交通运输等领域应用十分广泛。
随着基于ip复用技术的 soc设计的不断发展，片上总线 ocb（on-chip bus）技术成为解决 soc发展的关键技术。目前主要有三大主流片上总线标准： ibm公司的 coreconnect，arm公司的amba （advanced microcontroller bus architecture）以及silicore corp公司的 wishbone。本文针对两大主流 ocb总线标准 amba和coreconnect，完成amba高性能系统总线ahb和coreconnect的外围总线 opb之间的桥接转换，设计出 opb_ahb桥接器。
2.opb_ahb桥接器功能特性
ahb是arm公司微控制器总线体系结构 amba规范定义的三种总线之一，它是先进的系统总线，用于连接高性能系统模块，支持突发数据传输方式及单个数据传输方式， ahb总线可挂接多个功能模块（主 /从），并为它们提供高带宽、低延迟的总线连接。
opb总线是ibm公司推出的一种芯片级的外围设备总线， opb总线主要连接外围低速设备，降低外围设备对系统性能的影响，支持突发（ burst）操作 。
xilinx公司的软核处理器 microblaze能够很好的支持 opb总线协议， microblaze环境的 opb总线都是 32位的地址位宽和数据位宽，支持 8bit、16bit、32bit的数据传输 。本文设计的opb_ahb桥接器主要是完成以下四个功能。
3.opb_ahb桥接器结构
图1是一个简单的基于 microblaze的opb_ahb 桥接器拓扑结构图。 microblaze是一个软核处理器，整个系统在 xilinx的edk环境下实现， ahb_opb桥接器可以作为 opb设备和 ahb设备之间数据、地址和控制命令的传输通道。
当opb主设备要向 ahb从设备读写数据时， opb_ahb桥接器可以作为 opb总线这一侧的从设备（ slave），同时在 ahb总线这一侧充当主设备 （master）的角色，此时 opb_ahb桥接器主要工作是由图 2中opb2ahb bridge完成。当 ahb主设备要向 opb从设备读写数据时， opb_ahb桥接器可以作为ahb总线这一侧的从设备（ slave），同时在 opb总线这一侧充当主设备 （master）的角色，此时 opb_ahb桥接器主要工作是由图 2中ahb2opb bridge完成［4］。
4.opb_ahb桥接器的实现
实现两种总线的互联，关键是完成控制信号之间的转换以及数据和地址的传输，本设计采用的方法包括。
（1）流水线方式， （2）将所有输入的控制信号和数据地址总线都寄存一拍。
（3）控制信号都采用同 （4）步设计方法， （5）在opb_clk的上升沿触发。
（6）数据的读写操作为同 （7）步读写。
4.1opb2ahb_brg的实现
（1） 所有控制信号采用同步设计思想，在 sopb_clk的上升沿触发。 sopb_rst高电平有效，为同步复位，当其有效时，所有信号输出 0状态。
（2） 当桥接器检测到 sopb_sel信号有效时，即表明桥接器被选中，成为 opb总线上的从设备，或者检测到 ahb_resp信号状态为retry，此时 opb2ahb_brg作为ahb总线上的主设备向 ahb仲裁器发出请求总线信号 ahb_busreq。
（3） 当opb2ahb_brg检测到 ahb总线侧的允许信号 ahb_grants时，说明桥接器的请求得 到允许，此时当 ahb_ready有效时，可以根据 sopb_be判断传输数据的大小，决定 ahb_size的状态，当 sopb_be为1111时，ahb_size为010（32bit），sopb_be为1100或0011时，ahb_size为001（16bit），sopb_be为0001、0010、0100、1000时，ahb_size为000（8bit）。
（4） 当sopb_rnw为高电平时，为读取数据，数据流向是从 ahb_rdata到sl_dbus，当 sopb_rnw为低电平时，为写数据，数据流向从 sopb_dbus到ahb_wdata。地址总线相连，即sopb_abus连接ahb_addr。
（5）当一次数据传输完成后， （6）置位sl_xferack信号， （7） 让其输出一个时钟周期的高脉冲。
4.2 ahb_opb_brg的实现
（1） 当桥接器检测到 ahb_sel信号有效时，即表明桥接器被选中，成为ahb总线上的从设备，此时ahb2opb_brg作为opb总线上的主设备向 opb仲裁器发出请求总线信号 m_req。
（2）当桥接器接收到 opb仲裁器发出的允许信号 opb_mgrant信号时， （3）表明桥接器可以
开始工作，（4）这个信号会激励 m_sel信号有效， （5）根据 ip核 bk3721的功能特性， （6） m_be总是输出 1111，（7） m_seqaddr和m_buslock输出为0。
（3） 当ahb_write为高电平时，为写数据有效，此时 ahb主设备向从设备桥接器写数据，同时桥接器作为 opb总线上的主设备向选中的 opb从设备写数据，数据流向为 ahb_wdata到 m_dbus。当ahb_write为低电平时，为读数据有效，此时 ahb主设备从桥接器（作为 ahb总线上的从设备）读取数据，同时桥接器作为 opb总线的主设备从选中的 opb从设备读取数据，数据流向为opb_dbus到ahb_rdata。
（8）当数据传输指 （9）示信号opb_xferack被检测有效时， （10） ahb_ready信号输出高电平有效信号， （11）表示数据传输结束。
5.opb_ahb桥接器的验证
5.1 opb2ahb_brg的验证
用verilog编写testbench，在testbench中虚拟设备一个 ahb从设备存储器 ahb_mem，存储器的数据位宽和地址位宽都是 32位，通过测试平台可以对虚拟存储器进行数据的读写，并将数据的读写结果保存到 wdata.txt文件中。
利用modelsim工具对测试平台进行仿真。在主设备向虚拟从设备写数据时， sopb_rnw为低电平，桥接器作为ahb上的主设备将 sopb_dbus数据线上的数据通过 ahb_wdata写到 ahb_mem存储器中，并在 wdata.txt文件中显示出来，仿真结果如图 3 （a）所示。
在主设备从虚拟从设备读取数据时， sopb_rnw为高电平，桥接器作为 ahb上的主设备将ahb_mem存储器的数据通过 ahb_rdata读取到sl_dbus数据总线上，并在 wdata.txt文件中显示出来，仿真结果如图 3 （b）所示。
5.2 ahb2opb_brg的验证
ahb2opb_brg验证平台主要分为测试激励，被测对象以及响应输出三部分。测试过程为：首先对测试激励进行初始化，产生时钟信号和复位信号及控制信号，然后向虚拟 opb从设备（mem存储器）写数据，写完数据后等待一段时间在进行读取数据操作。在modelsim中仿真结果如图 4所示。
通过观察，当写信号时， ahb_wdata数据总线上的数据能够正确的写入到虚拟从设备 opb_mem中，当读信号有效时，虚拟从诶设备 opb_mem中的数据能够正确通过 opb_dbus传输到ahb_rdata总线上。
6.结束语
本文在分析了 amba总线协议和 opb总线协议的基础上，给出了opb_ahb桥接器的设计和验证方案。本文作者创新点是采用同步设计和流水线设计方法，能够正确的转换 opb总线与 ahb总线之间的数据、地址、控制信号，提高了系统的运行速度和稳定性。最后通过 xilinx的ise综合和时序仿真，最高频率达到 100mhz，并导入到 edk环境中，选择microblaze软核处理器构建 soc系统，实现 opb与ahb总线协议的互连。
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随着基于ip复用技术的 soc设计的不断发展，片上总线 ocb（on-chip bus）技术成为解决 soc发展的关键技术。目前主要有三大主流片上总线标准： ibm公司的 coreconnect，arm公司的amba （advanced microcontroller bus architecture）以及silicore corp公司的 wishbone。本文针对两大主流 ocb总线标准 amba和coreconnect，完成amba高性能系统总线ahb和coreconnect的外围总线 opb之间的桥接转换，设计出 opb_ahb桥接器。
2.opb_ahb桥接器功能特性
ahb是arm公司微控制器总线体系结构 amba规范定义的三种总线之一，它是先进的系统总线，用于连接高性能系统模块，支持突发数据传输方式及单个数据传输方式， ahb总线可挂接多个功能模块（主 /从），并为它们提供高带宽、低延迟的总线连接。
opb总线是ibm公司推出的一种芯片级的外围设备总线， opb总线主要连接外围低速设备，降低外围设备对系统性能的影响，支持突发（ burst）操作 。
xilinx公司的软核处理器 microblaze能够很好的支持 opb总线协议， microblaze环境的 opb总线都是 32位的地址位宽和数据位宽，支持 8bit、16bit、32bit的数据传输 。本文设计的opb_ahb桥接器主要是完成以下四个功能。
3.opb_ahb桥接器结构
图1是一个简单的基于 microblaze的opb_ahb 桥接器拓扑结构图。 microblaze是一个软核处理器，整个系统在 xilinx的edk环境下实现， ahb_opb桥接器可以作为 opb设备和 ahb设备之间数据、地址和控制命令的传输通道。
当opb主设备要向 ahb从设备读写数据时， opb_ahb桥接器可以作为 opb总线这一侧的从设备（ slave），同时在 ahb总线这一侧充当主设备 （master）的角色，此时 opb_ahb桥接器主要工作是由图 2中opb2ahb bridge完成。当 ahb主设备要向 opb从设备读写数据时， opb_ahb桥接器可以作为ahb总线这一侧的从设备（ slave），同时在 opb总线这一侧充当主设备 （master）的角色，此时 opb_ahb桥接器主要工作是由图 2中ahb2opb bridge完成［4］。
4.opb_ahb桥接器的实现
实现两种总线的互联，关键是完成控制信号之间的转换以及数据和地址的传输，本设计采用的方法包括。
（1）流水线方式， （2）将所有输入的控制信号和数据地址总线都寄存一拍。
（3）控制信号都采用同 （4）步设计方法， （5）在opb_clk的上升沿触发。
（6）数据的读写操作为同 （7）步读写。
4.1opb2ahb_brg的实现
（1） 所有控制信号采用同步设计思想，在 sopb_clk的上升沿触发。 sopb_rst高电平有效，为同步复位，当其有效时，所有信号输出 0状态。
（2） 当桥接器检测到 sopb_sel信号有效时，即表明桥接器被选中，成为 opb总线上的从设备，或者检测到 ahb_resp信号状态为retry，此时 opb2ahb_brg作为ahb总线上的主设备向 ahb仲裁器发出请求总线信号 ahb_busreq。
（3） 当opb2ahb_brg检测到 ahb总线侧的允许信号 ahb_grants时，说明桥接器的请求得 到允许，此时当 ahb_ready有效时，可以根据 sopb_be判断传输数据的大小，决定 ahb_size的状态，当 sopb_be为1111时，ahb_size为010（32bit），sopb_be为1100或0011时，ahb_size为001（16bit），sopb_be为0001、0010、0100、1000时，ahb_size为000（8bit）。
（4） 当sopb_rnw为高电平时，为读取数据，数据流向是从 ahb_rdata到sl_dbus，当 sopb_rnw为低电平时，为写数据，数据流向从 sopb_dbus到ahb_wdata。地址总线相连，即sopb_abus连接ahb_addr。
（5）当一次数据传输完成后， （6）置位sl_xferack信号， （7） 让其输出一个时钟周期的高脉冲。
4.2 ahb_opb_brg的实现
（1） 当桥接器检测到 ahb_sel信号有效时，即表明桥接器被选中，成为ahb总线上的从设备，此时ahb2opb_brg作为opb总线上的主设备向 opb仲裁器发出请求总线信号 m_req。
（2）当桥接器接收到 opb仲裁器发出的允许信号 opb_mgrant信号时， （3）表明桥接器可以
开始工作，（4）这个信号会激励 m_sel信号有效， （5）根据 ip核 bk3721的功能特性， （6） m_be总是输出 1111，（7） m_seqaddr和m_buslock输出为0。
（3） 当ahb_write为高电平时，为写数据有效，此时 ahb主设备向从设备桥接器写数据，同时桥接器作为 opb总线上的主设备向选中的 opb从设备写数据，数据流向为 ahb_wdata到 m_dbus。当ahb_write为低电平时，为读数据有效，此时 ahb主设备从桥接器（作为 ahb总线上的从设备）读取数据，同时桥接器作为 opb总线的主设备从选中的 opb从设备读取数据，数据流向为opb_dbus到ahb_rdata。
（8）当数据传输指 （9）示信号opb_xferack被检测有效时， （10） ahb_ready信号输出高电平有效信号， （11）表示数据传输结束。
5.opb_ahb桥接器的验证
5.1 opb2ahb_brg的验证
用verilog编写testbench，在testbench中虚拟设备一个 ahb从设备存储器 ahb_mem，存储器的数据位宽和地址位宽都是 32位，通过测试平台可以对虚拟存储器进行数据的读写，并将数据的读写结果保存到 wdata.txt文件中。
利用modelsim工具对测试平台进行仿真。在主设备向虚拟从设备写数据时， sopb_rnw为低电平，桥接器作为ahb上的主设备将 sopb_dbus数据线上的数据通过 ahb_wdata写到 ahb_mem存储器中，并在 wdata.txt文件中显示出来，仿真结果如图 3 （a）所示。
在主设备从虚拟从设备读取数据时， sopb_rnw为高电平，桥接器作为 ahb上的主设备将ahb_mem存储器的数据通过 ahb_rdata读取到sl_dbus数据总线上，并在 wdata.txt文件中显示出来，仿真结果如图 3 （b）所示。
5.2 ahb2opb_brg的验证
ahb2opb_brg验证平台主要分为测试激励，被测对象以及响应输出三部分。测试过程为：首先对测试激励进行初始化，产生时钟信号和复位信号及控制信号，然后向虚拟 opb从设备（mem存储器）写数据，写完数据后等待一段时间在进行读取数据操作。在modelsim中仿真结果如图 4所示。
通过观察，当写信号时， ahb_wdata数据总线上的数据能够正确的写入到虚拟从设备 opb_mem中，当读信号有效时，虚拟从诶设备 opb_mem中的数据能够正确通过 opb_dbus传输到ahb_rdata总线上。
6.结束语
本文在分析了 amba总线协议和 opb总线协议的基础上，给出了opb_ahb桥接器的设计和验证方案。本文作者创新点是采用同步设计和流水线设计方法，能够正确的转换 opb总线与 ahb总线之间的数据、地址、控制信号，提高了系统的运行速度和稳定性。最后通过 xilinx的ise综合和时序仿真，最高频率达到 100mhz，并导入到 edk环境中，选择microblaze软核处理器构建 soc系统，实现 opb与ahb总线协议的互连。
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