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第1章 AMBA总线简介
本章介绍高级微控制器总线架构（AMBA）规范。包含以下小节：
AMBA规范概述（第1-2页）
AMBA规范目标（第1-3页）
典型的基于AMBA的微控制器（第1-4页）
术语（第1-6页）
AMBA AHB简介（第1-7页）
AMBA ASB简介（第1-9页）
AMBA APB简介（第1-10页）
为系统选择合适的总线（第1-12页）
关于AMBA规范的说明（第1-14页）
1.1 AMBA规范概述
高级微控制器总线架构（AMBA）规范定义了一种用于设计高性能嵌入式微控制器的片上通信标准。
AMBA规范定义了三种不同的总线：
高性能总线（AHB）
系统总线（ASB）
外设总线（APB）。
AMBA规范还包含一种测试方法学，为模块化宏单元测试和诊断访问提供了基础设施。
1.1.1 高性能总线（AHB）
AMBA AHB适用于高性能、高时钟频率的系统模块。
AHB作为高性能系统主干总线。它支持处理器、片上存储器、片外外部存储器接口与低功耗外设宏单元功能的高效连接。AHB的规范也确保了在使用综合和自动化测试技术的高效设计流程中易于使用。
1.1.2 系统总线（ASB）
AMBA ASB适用于高性能系统模块。
AMBA ASB是一种替代性的系统总线，适用于不需要AHB高性能特性的场合。ASB同样支持处理器、片上存储器、片外外部存储器接口与低功耗外设宏单元功能的高效连接。
1.1.3 外设总线（APB）
AMBA APB适用于低功耗外设。
AMBA APB针对最低功耗消耗和简化接口复杂性进行了优化，以支持外设功能。APB可与任一版本的系统总线结合使用。
1.2 AMBA规范的目标
AMBA规范的制定旨在满足四个关键需求：
促进包含一个或多个CPU或信号处理器的嵌入式微控制器产品的“一次成功”开发。
保持技术独立性，确保高度可重用的外设和系统宏单元能够跨多种不同的IC工艺迁移，并适用于全定制、标准单元和门阵列技术。
鼓励模块化系统设计，以提高处理器的独立性，为先进的带缓存CPU核心和外设库的开发提供发展路线图。
最小化为支持高效的片上及片外通信（包括操作和制造测试）所需的硅基础设施。
1.3 典型的基于AMBA的微控制器
一个典型的基于AMBA的微控制器包含一个高性能系统主干总线（AMBA AHB或AMBA ASB），该总线能够维持外部存储器带宽，CPU、片上存储器和其他直接存储器访问（DMA）设备位于此总线上。此总线在涉及大部分数据传输的组件之间提供了一个高带宽接口。同样位于高性能总线上的还有一个连接到低带宽APB的桥接器，系统中大多数外设设备都位于APB上（见图1-1）。
（图1-1说明：）
高带宽外部存储器接口
高性能ARM处理器
AHB 或 ASB
高带宽片上RAM
桥接器
APB
UART、定时器、键盘、PIO等外设
总线特性对比：
AMBA AHB：高性能、流水线操作、多总线主设备、突发传输、拆分事务
AMBA ASB：高性能、流水线操作、多总线主设备
AHB到APB桥接器 或 ASB到APB桥接器
AMBA APB：低功耗、锁存的地址和控制、接口简单、适用于许多外设
DMA总线主设备
图1-1 典型的AMBA系统
AMBA APB作为从高带宽流水线主系统总线引出的次级总线，提供了基本的外设宏单元通信基础设施。此类外设通常具有以下特点：
具有存储器映射寄存器的接口
没有高带宽接口
在程序控制下被访问。
外部存储器接口是应用特定的，可能只有窄数据路径，但也可能支持测试访问模式，允许内部AMBA AHB、ASB和APB模块使用独立于系统的测试集进行隔离测试。
1.4 术语
本规范中通篇使用以下术语。
总线周期
总线周期是一个总线时钟周期的基本单位。就AMBA AHB或APB协议描述而言，定义为上升沿到上升沿的转换。ASB总线周期定义为下降沿到下降沿的转换。总线信号时序以总线周期时钟为参考。
总线传输
AMBA ASB或AHB总线传输是对一个数据对象的读或写操作，可能需要一个或多个总线周期。总线传输由寻址的从设备发出的完成响应来终止。
AMBA ASB支持的传输大小包括字节（8位）、半字（16位）和字（32位）。AMBA AHB额外支持更宽的数据传输，包括64位和128位传输。
AMBA APB总线传输是对一个数据对象的读或写操作，总是需要两个总线周期。
突发操作
突发操作定义为由一个总线主设备发起的一个或多个数据事务，这些事务对地址空间的增量区域具有一致的传输宽度。每个事务的增量步长由传输宽度（字节、半字、字）决定。APB不支持突发操作。
1.5 AMBA AHB简介
AHB是新一代AMBA总线，旨在满足高性能可综合设计的需求。它是一种支持多总线主设备并提供高带宽操作的高性能系统总线。
AMBA AHB实现了高性能、高时钟频率系统所需的特性，包括：
突发传输
拆分事务
单周期总线主设备切换
单时钟沿操作
非三态实现
更宽的数据总线配置（64/128位）。
可以高效地在此高级总线与当前的ASB/APB之间进行桥接，以确保任何现有设计都能轻松集成。
一个AMBA AHB设计可能包含一个或多个总线主设备。通常，一个系统至少会包含处理器和测试接口。然而，将直接存储器访问（DMA）或数字信号处理器（DSP）作为总线主设备也很常见。
外部存储器接口、APB桥接器和任何内部存储器是最常见的AHB从设备。系统中的任何其他外设也可以作为AHB从设备。然而，低带宽外设通常驻留在APB上。
一个典型的AMBA AHB系统设计包含以下组件：
AHB主设备
总线主设备能够通过提供地址和控制信息来发起读/写操作。在任何时刻，只允许一个总线主设备主动使用总线。
AHB从设备
总线从设备在给定的地址空间范围内响应读或写操作。总线从设备向活动主设备回传数据传输的成功、失败或等待状态。
AHB仲裁器
总线仲裁器确保一次只允许一个总线主设备发起数据传输。尽管仲裁协议是固定的，但可以根据应用需求实现任何仲裁算法，例如最高优先级或公平访问。
即使是在单个总线主设备系统中这显得微不足道，一个AHB也只会包含一个仲裁器。
AHB解码器
AHB解码器用于解码每次传输的地址，并为参与传输的从设备提供选择信号。
所有AHB实现都需要一个集中式的解码器。
1.6 AMBA ASB简介
ASB是第一代AMBA系统总线。ASB位于当前的APB之上，实现了高性能系统所需的特性，包括：
突发传输
流水线传输操作
多总线主设备。
一个典型的AMBA ASB系统可能包含一个或多个总线主设备。例如，至少包含处理器和测试接口。然而，将直接存储器访问（DMA）或数字信号处理器（DSP）作为总线主设备也很常见。
外部存储器接口、APB桥接器和任何内部存储器是最常见的ASB从设备。系统中的任何其他外设也可以作为ASB从设备。然而，低带宽外设通常驻留在APB上。
一个AMBA ASB系统设计通常包含以下组件：
ASB主设备
总线主设备能够通过提供地址和控制信息来发起读/写操作。在任何时刻，只允许一个总线主设备主动使用总线。
ASB从设备
总线从设备在给定的地址空间范围内响应读或写操作。总线从设备向活动主设备回传数据传输的成功、失败或等待状态。
ASB解码器
总线解码器执行传输地址的解码并适当地选择从设备。总线解码器还确保在不需要总线传输时总线保持可操作状态。
所有ASB实现都需要一个集中式的解码器。
ASB仲裁器
总线仲裁器确保一次只允许一个总线主设备发起数据传输。尽管仲裁协议是固定的，但可以根据应用需求实现任何仲裁算法，例如最高优先级或公平访问。
即使是在单个总线主设备系统中这显得微不足道，一个ASB也只会包含一个仲裁器。
1.7 AMBA APB简介
APB是AMBA总线层次结构的一部分，针对最低功耗消耗和简化接口复杂性进行了优化。
AMBA APB表现为一个本地次级总线，被封装为单个AHB或ASB从设备。APB提供了系统总线的低功耗扩展，直接建立在AHB或ASB信号之上。
APB桥接器表现为一个从设备模块，代表本地外设总线处理总线握手和控制信号的再定时。通过从系统总线的起点定义APB接口，可以充分利用系统诊断和测试方法学的优势。
AMBA APB应用于连接任何低带宽且不需要流水线总线接口高性能的外设。
APB的最新修订版规定所有信号转换仅与时钟的上升沿相关。这一改进确保了APB外设可以轻松集成到任何设计流程中，具有以下优点：
更容易实现高频操作
性能独立于时钟的占空比
通过使用单一时钟沿简化了静态时序分析
自动测试插入无需特殊考虑
许多专用集成电路（ASIC）库有更好的上升沿寄存器选择
易于与基于周期的仿真器集成。
APB的这些更改也使其更容易与新的AHB接口。
一个AMBA APB实现通常包含一个单一的APB桥接器，该桥接器需要将AHB或ASB传输转换为适合APB上从设备的形式。桥接器提供所有地址、数据和控制信号的锁存，并提供第二级解码以生成APB外设的从设备选择信号。
APB上的所有其他模块都是APB从设备。APB从设备具有以下接口规范：
在整个访问期间地址和控制信号有效（非流水线）
在外设总线非活动期间为零功耗接口（不使用时外设总线是静态的）
时序可以通过解码配合选通时序提供（非时钟接口）
写数据在整个访问期间有效（允许实现无毛刺的透明锁存器）。
1.8 为系统选择合适的总线
在决定系统中应使用哪种总线或哪些总线之前，您应考虑以下因素：
系统总线的选择
系统总线和外设总线
何时使用AMBA AHB/ASB或APB
1.8.1 系统总线的选择
AMBA AHB和ASB都可用作主系统总线。通常，系统总线的选择将取决于所需系统模块提供的接口。
推荐在所有新设计中使用AHB，不仅因为它提供了更高带宽的解决方案，还因为其单时钟沿协议能够与典型ASIC开发过程中使用的设计自动化工具更顺畅地集成。
1.8.2 系统总线和外设总线
将所有外设构建为功能齐全的AHB或ASB模块是可行的，但并不总是可取的：
在具有大量外设宏单元的设计中，增加的总线负载可能会增加功耗并牺牲性能。
在需要时序分析的情况下，总线上最慢的元件将限制最大性能。
许多简单的外设宏单元需要锁存的地址和控制信号，而高带宽宏单元则受益于流水线信号。
许多外设功能只需要一个传达宏单元选择和读/写总线操作的选通信，而不需要将高频时钟信号广播到每个外设。
1.8.3 何时使用AMBA AHB/ASB或APB
完整的AHB或ASB接口用于：
总线主设备
片上存储器块
外部存储器接口
具有FIFO接口的高带宽外设
DMA从设备外设。
推荐对以下情况使用简单的APB接口：
简单的寄存器映射从设备
无法全局路由时钟的超低功耗接口
将窄总线外设分组以避免给系统总线增加负载。
1.9 关于AMBA规范的说明
阅读AMBA规范时应考虑以下几点：
技术独立性
电气特性
时序规范。
1.9.1 技术独立性
AMBA是一种与技术无关的片上协议。本规范仅详细说明了总线协议在时钟周期级别的行为。
1.9.2 电气特性
AMBA规范中未提供有关电气特性的信息，因为这将完全取决于设计所选用的制造工艺技术。
1.9.3 时序规范
AMBA协议定义了周期级别上各种信号的行为。确切的时序要求将取决于所使用的工艺技术和操作频率。
由于AMBA协议没有定义确切的时序要求，系统集成商在分配总线上各模块之间的信号时序预算时具有最大的灵活性。
