哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 a v a l o n w i s h b o n e 總線轉(zhuǎn)換橋的設(shè)計(jì) 摘要 隨著集成電路設(shè)計(jì)進(jìn)入到系統(tǒng)芯片( s o c ) 時(shí)代，板級(jí)系統(tǒng)的總線互連 結(jié)構(gòu)也發(fā)展成為系統(tǒng)芯片的層次化總線體系一片上總線。不同的i p 被集成 到片上總線的不同層次上，不同層次總線之間采用總線橋設(shè)備來(lái)連接。伴隨 技術(shù)的發(fā)展，單一總線體系下的i p 設(shè)計(jì)與復(fù)用已經(jīng)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需 要，一個(gè)i p 核在不同的總線體系下不能通用。不同總線體系間的通信需求 成為了新的技術(shù)瓶頸。 片上總線的種類很多，為了解決基于單一片上總線協(xié)議下設(shè)計(jì)出的i p 核無(wú)法在其他總線協(xié)議下通用的問(wèn)題，我們可以設(shè)計(jì)不同種類總線協(xié)議間的 總線轉(zhuǎn)換橋來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?？偩€轉(zhuǎn)換橋的概念就是搭建一個(gè)既有橋的功能 并且還能實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議間轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)級(jí)總線轉(zhuǎn)換橋。這里提出的總線協(xié)議并 非是系統(tǒng)總線與外設(shè)總線之間的橋接，而是不同總線體系之間的橋接，屬于 系統(tǒng)總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。 論文的主要工作是在研究和分析當(dāng)前幾種使用較多、影響力較大的總線 協(xié)議基礎(chǔ)上，以a v a l o n 總線和w i s h b o n e 總線為基礎(chǔ)，建立a v a l o n w i s h b o n e 總線轉(zhuǎn)換橋的模型?？偩€轉(zhuǎn)換橋的設(shè)計(jì)包括a v a l o n 從狀態(tài)機(jī)、w i s h b o n e 主 狀態(tài)機(jī)和寄存器緩沖區(qū)等模塊的設(shè)計(jì)工作。論文最終完成了兩個(gè)不同協(xié)議的 總線轉(zhuǎn)換橋的設(shè)計(jì)，并研究了功能驗(yàn)證的一般技術(shù)，為片上總線的互連技術(shù) 研究積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為多總線間的總線轉(zhuǎn)換橋的研究奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞a v a l o n 總線：w i s h b o n e 總線；總線轉(zhuǎn)換橋 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文 d e s i g no fa v a l o n w i s h b o n eb u s c o n v e r t e rb r i d g e a b s t r a c t i n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g nh a se n t e r e di n t ot h ee r ao fs y s t e mo nc h i p ( s o c ) ， t h eb u si n t e r c o n n e c ta r c h i n e c t u r eo fs y s t e mo nb o a r dh a sa l s od e v e l o p e di n t oa k i n do fh i e r a r c h ya r c h i t e c t u r e - o nc h i pb u s ( o c b ) d i f f e r e n ti p sa r ei n t e g r a t e do n d i f f e r e n tt y p e so fo c b ，t h ec o m m u n i c a t i o no fd i f f e r e n tl e v e l so fo c bc a l lu s et h e b u sb r i d g e a st h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t ，t h ei pd e s i g na n dr e u s eo fs i n g l eb u s s y s t e mc a nn o ts a t i s f yt h en e e do fa p p l i c a t i o n ，a ni pc o r ec a n tb ei ng e n e r a lu s e u n d e rt h ed i f f e r e n tb u ss y s t e m t h ec o m m u c a t i o nn e e d sb e t w e e nd i f f e r e n tb u s s y s t e mc o m et ob ean e wt e c h n o l o g i c a lb o t t l e n e c k s t h e r ea r em a n yk i n d so ft h eo c b ，t h ei pc o r e ，w h i c hi s d e s i g n e du n d e r s i n g l eo nc h i pb u sp r o t o c o l ，c a nn o tb ei ng e n e r a lu s ew i t ht h o s ew h i c ha r e d e s i g n e du n d e ro t h e rb u sp r o t o c 0 1 t os o l v et h i sp r o b l e m ，w ec a nd e s i g nd i f f e r e n t b u sc o n v e r t e rb r i d g eb e t w e e nd i f f e r e n tk i n d so fb u sp r o t o c 0 1 b u sc o n v e r t e r b r i d e gm e a n st h a tt ob u i l dab r i d g ew h i c hh a v et h eb r i d g ef u n c t i o na n da l s oc a n r e a l i z et h ec o n v e r s i o nb e t w e e nt h eb u sp r o t o c o l s t h eb u sp r o t o c o lh e r ew e m e n t i o n e di sn o tb r i d g ec o n n e c t i o nb e t w e e ns y s t e mb u sa n dp e r i p h a lb u s ，b u ta b r i d g ec o n n e c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tb u ss y s t e m s ，w h i c hb e l o n g st ot h ep r o t o c o l c o n v e r s i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts y s t e mb u s t h em a i nt a s ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni st ob u i l da v a l o n w i s h b o n eb u sc o n v e r t e r b r i d g em o d e lw h i c hb a s e do na v a l o nb u sa n dw i s h b o n eb u s ，a l s oa c c o r d i n gt ot h e s t u d y i n ga n da n a l y z i n gs o m eb u sp r o t o c o l sw h i c ha r ew i d e l yu s e da n di n f l u e n c e d t h ed e s i g no fb u sc o n v e r t e rb r i d g ei n c l u d e sm o d u l e sd e s i g na v a l o ns l a v es t a t e m a c h i n e 、w i s h b o n em a s t e rs t a t em a c h i n ea n db u f f e r t h i sd i s s e r t a t i o nf i n a l l y c o m p l e t e st w ob u sc o n v e r t e rb r i d g ed e s i g n so fd i f f e r e n tp r o t o c o l ，a n da l s os t u d i e s t h eg e n e r a lt e c h n i q u eo ff u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o nw h i c hg e t ss o m ee x p e r i e n c ef o r t h es t u d y i n go ft h eo nc h i pb u s ，a n dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h es t u d y i n go fb u s c o n v e r t e rb r i d g eb e t w e e nm u l t i - b u s e s k e y w o r d s a v a l o nb u s ，w i s h b o n eb u s ，b u sc o n v e r t e rb r i d g e 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文( a v a l o n w i s h b o n e 總線轉(zhuǎn)換橋 的設(shè)計(jì)，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行 研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表 或撰寫過(guò)的研究成果。對(duì)本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均己在文中以明 確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。 作者簽名：德歷 同期：。2 裾年 弓月( 。同 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 a v a l o n w i s h b o n e 總線轉(zhuǎn)換橋的設(shè)計(jì)系本人在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士 學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸哈爾濱理工大 學(xué)所有，本論文的研究?jī)?nèi)容不得以其他單位的名義發(fā)表。本人完全了解哈爾濱理 工大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門提交論文和 電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)哈爾濱理工大學(xué)可以采用影印、縮 印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 本學(xué)位論文屬于 保密口，在年解密后適用授權(quán)書。 不保密囪。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打) 作者簽名：氍鼢磊r 期：山緝弓月f 口同 導(dǎo)師簽名： 歹稻 同期：伽男年? 月尸同 哈爾濱理工大學(xué)t 學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1s o c 與片上總線 第1 章緒論 s o c ( s y s t e mo nc h i p 系統(tǒng)芯片) 技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今超大規(guī)模集成電路的 發(fā)展趨勢(shì)，是世紀(jì)集成電路技術(shù)的主流，為集成電路產(chǎn)業(yè)提供了前所未有的廣 闊市場(chǎng)和難得的發(fā)展機(jī)遇。s o c 系統(tǒng)將原來(lái)由許多芯片完成的功能，集中到一 塊芯片中完成。但不是各個(gè)芯片功能的簡(jiǎn)單疊加，而是從整個(gè)系統(tǒng)的功能和性 能出發(fā)，用軟硬結(jié)合的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法，利用核復(fù)用及深亞微米技術(shù)，在一個(gè) 芯片上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。在蓬勃發(fā)展的同時(shí)，設(shè)計(jì)技術(shù)給傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì) 技術(shù)提出了挑戰(zhàn)芯片性能越來(lái)越強(qiáng)，規(guī)模越來(lái)越大，開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越長(zhǎng)，設(shè)計(jì) 質(zhì)量越來(lái)越難于控制，芯片設(shè)計(jì)成本越來(lái)越趨于高昂。 隨著集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展和e d a 設(shè)計(jì)水平的迅速提高，基于知識(shí)產(chǎn)權(quán) 核i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊) 進(jìn)行系統(tǒng)芯片s o c 設(shè)計(jì)的能力和 技術(shù)得到了大大提高?；趇 p 核集成的可重用設(shè)計(jì)技術(shù)是將各種i p 模塊( 微 處理器、d s p 、存儲(chǔ)器等) 集成在一起，其技術(shù)的關(guān)鍵在于建立正確、高效、 靈活的片上總線結(jié)構(gòu)，構(gòu)造以功能組裝為基礎(chǔ)的芯片開(kāi)發(fā)模型。 片上總線( o n c h i pb u s ) 作為集成系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)，可以解決各個(gè)功能模 塊間的相互通信問(wèn)題，包括數(shù)據(jù)格式、通信聯(lián)絡(luò)、時(shí)序、協(xié)議等方面，從而為 設(shè)計(jì)人員免去相當(dāng)大的精力去考慮如何將自己設(shè)計(jì)的功能模塊和其他功能模塊 連接起來(lái)，使得模塊集成起來(lái)更加方便。 通常設(shè)計(jì)中利用總線的分層技術(shù)以使得各種不同特性的模塊與總線更好的 相連接，片上總線一般分為系統(tǒng)總線( s y s t e mb u s ) 與外圍總線( p e r i p h e r a lb u s ) 兩部分，系統(tǒng)總線可認(rèn)為是處理器核與系統(tǒng)模塊相連的中樞，這些系統(tǒng)模塊或 者一個(gè)控制器，主系統(tǒng)初始化、主系統(tǒng)之間以及與系統(tǒng)其他模塊的數(shù)據(jù)傳輸， 需要總線仲裁來(lái)控制多個(gè)請(qǐng)求信號(hào)。從系統(tǒng)只響應(yīng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，其特點(diǎn)是高速、 寬帶寬。外圍總線由于高優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)約束要求，由那些沒(méi)有有效總線控制存取 的模塊組成，低速、窄帶寬是其特點(diǎn)，其往往是為了滿足功耗、便攜性、重用 性等方面的特別要求。系統(tǒng)總線與外圍總線之間通過(guò)相連，對(duì)于那些掛接外圍 的系統(tǒng)，這也被認(rèn)為是總線結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要組成部分n 塒。 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位語(yǔ)文 1 i 1s o c 是集成電路的必然發(fā)展 集成電路發(fā)展到s o c 可以說(shuō)是微電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。傳統(tǒng)的i c 設(shè)計(jì)只 注重硬件的設(shè)計(jì)，軟件部分則交給編程人員完成。s o c 設(shè)計(jì)則主要體現(xiàn)在系統(tǒng) 級(jí)設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)更多地在功能，行為，算法，構(gòu)架，思路等等。s o c 設(shè)計(jì)者的 核心任務(wù)不再是怎樣實(shí)現(xiàn)新的電路功能，而是如何去評(píng)估，驗(yàn)證和集成多個(gè)已 存在的模塊，以及i p 核的重復(fù)使用和軟硬件劃分。從使用角度來(lái)看，s o c 有三 種類型：專用集成電路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) ，可編程s o c 即s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 和o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ， 原始設(shè)備生產(chǎn)商) 型s o c 。隨著時(shí)間的不斷推移和s o c 技術(shù)的不斷完善，s o c 的定義也在不斷的發(fā)展和完善。1 9 9 5 年，美國(guó)d a t a q u e s t 全球半導(dǎo)體公司首席工 程師j i mt u l l y 對(duì)片上系統(tǒng)下了一個(gè)定義：s o c 包括計(jì)算單元( 微處理器、微控 制器或數(shù)字信號(hào)處理器) 、至少1 0 萬(wàn)門和相當(dāng)大的片上存儲(chǔ)器?，F(xiàn)在的s o c 能 夠在單一硅芯片上集成存儲(chǔ)器、信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換電路、m c u 、d s p 等模擬與數(shù) 字混合電路，從而構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。 s o c 設(shè)計(jì)平臺(tái)由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)組成。硬件平臺(tái)是一個(gè)由c p u 、b u s 、 r a m 等組成的基本硬件系統(tǒng)。軟件平臺(tái)就是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)( r 1 o s ) 。軟件平臺(tái) 和硬件平臺(tái)合在一起稱為系統(tǒng)平臺(tái)，在系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上通過(guò)快速集成的方法 嵌入一系列預(yù)先設(shè)計(jì)好的軟硬件i p 模塊，就形成了s o c 產(chǎn)品。 s o c 設(shè)計(jì)平臺(tái)具有以下屬性： 1 平臺(tái)是一個(gè)基本系統(tǒng)( s y s t e mc o r e ) 是比嵌入式c p u ( i pc o r e ) 高 一個(gè)層次的可重用結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)庫(kù)的基本元件。 2 可重用性是平臺(tái)的基本屬性，只有可重用，才能有效的將開(kāi)發(fā)平臺(tái)的 成本平均到多個(gè)產(chǎn)品上，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本；同時(shí)，只有可重用，才能有效 的降低衍生產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜度。 3 可擴(kuò)展性軟件可擴(kuò)展功能和硬件可擴(kuò)展功能是系統(tǒng)平臺(tái)的基本屬性， 也是產(chǎn)業(yè)界需要平臺(tái)的根本原因。產(chǎn)業(yè)界在系統(tǒng)平臺(tái)上做簡(jiǎn)單的軟硬件擴(kuò)充就 可以設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品，既節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，又縮短了產(chǎn)品的面市時(shí)間睜埔1 。 1 1 2 片上總線與傳統(tǒng)片內(nèi)總線的比較 傳統(tǒng)d s p 處理器本身也具有復(fù)雜獨(dú)特的片內(nèi)總線結(jié)構(gòu)，但是它缺乏相互直 接集成的能力，更沒(méi)有集成i p 核的接口標(biāo)準(zhǔn)。以往的片內(nèi)總線架構(gòu)僅是為了連 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 接各個(gè)寄存器及a l u ，或者是為不同的功能模塊提供一條信息通路，而不具備 主動(dòng)協(xié)調(diào)各模塊之間動(dòng)作的功能。以往的片內(nèi)總線架構(gòu)面對(duì)的對(duì)象僅是某些確 定的功能模塊，設(shè)計(jì)總線架構(gòu)時(shí)只需按照各功能模塊之間確定的信息交互模式 即可，即系統(tǒng)或功能單元決定總線架構(gòu)，而s o c 的設(shè)計(jì)技術(shù)要求其總線架構(gòu)應(yīng) 該可以連接不同的i p 核，而不能根據(jù)i p 核確定系統(tǒng)的總線架構(gòu)，即總線架構(gòu) 決定i p 核，只要符合總線協(xié)議的i p 核都可以集成到系統(tǒng)中，都可以被s o c 設(shè) 計(jì)者采用，為此，s o c 中的總線架構(gòu)必須采用標(biāo)準(zhǔn)的總線規(guī)范，所有具有符合 總線規(guī)范的接口的i p 核都可以直接掛在該總線架構(gòu)上，i p 核之間的通信都通過(guò) 總線架構(gòu)完成，不存在i p 核與i p 核之間的信號(hào)匹配問(wèn)題，所以設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 的總線架構(gòu)是s o c 中的總線設(shè)計(jì)技術(shù)的核心技術(shù)。 1 1 3 片上總線與板級(jí)總線 在片上總線問(wèn)世之前，總線主要是指板級(jí)的系統(tǒng)總線和處理器的內(nèi)部總線。 板級(jí)總線技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何在正確協(xié)調(diào)各功能單元的前提下，更少的占用 p c b 板的面積，同時(shí)傳統(tǒng)的板級(jí)系統(tǒng)總線為了支持插接技術(shù)，大都采用三態(tài)控 制信號(hào)和多路選擇地址數(shù)據(jù)信號(hào)。在系統(tǒng)芯片中，信號(hào)的走線僅會(huì)影響晶圓面 積，而不會(huì)影響封裝大小及p c b 板上的連接關(guān)系。另外，邏輯綜合工具的能力 直接影響芯片的設(shè)計(jì)時(shí)間和性能，但是綜合工具很難處理三態(tài)總線信號(hào)，同時(shí) 在做靜態(tài)時(shí)序分析時(shí)，工具對(duì)三態(tài)總線的處理也是很糟糕。唯一驗(yàn)證其時(shí)序的 方法就是利用電路級(jí)的仿真器。并且許多芯片級(jí)的設(shè)計(jì)約束和折中技術(shù)都與板 級(jí)的約束折中方法不同，p c b 板上的總線設(shè)計(jì)技術(shù)己無(wú)法滿足片上總線的設(shè)計(jì) 要求。s o c 的特點(diǎn)要求設(shè)計(jì)出新的更優(yōu)化的總線結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵的技術(shù)要求是，性 能高、設(shè)計(jì)時(shí)間短、便于使用、功耗低。 1 1 4 片上總線的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 雖然每種總線的功能有高有低，所服務(wù)的客戶群體也不盡相同，每一種片 上總線都是在滿足特定應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的，各有特色，但是也具有共同的特 點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)盡量達(dá)到以下的設(shè)計(jì)要求： 1 可變寬度的地址和數(shù)據(jù)線，一般的片上總線都至少支持6 4 位的數(shù)據(jù)寬 度，并且這些地址和數(shù)據(jù)線的寬度都是可以改變的。這無(wú)疑增加了片上總線的 應(yīng)用范圍。片上總線有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)即：數(shù)據(jù)寬度是可改變的： 2 在大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)一般都采用流水線方式，即當(dāng)前的地址與上一次的數(shù) 哈爾濱理1 = 大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 據(jù)重疊在一起，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘周期傳送一次數(shù)據(jù)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí) 鐘周期完成一次數(shù)據(jù)傳輸； 3 總線盡可能簡(jiǎn)單，首先總線的時(shí)序本身要簡(jiǎn)單，便于學(xué)習(xí)和使用，這樣 i p 核的設(shè)計(jì)者就可以把主要精力集中于i p 核本身功能的設(shè)計(jì)；其次由于片上總 線集成于一塊芯片內(nèi)，因此它不能占用太多系統(tǒng)資源； 4 采用主從式結(jié)構(gòu)，并且都支持多個(gè)主設(shè)備，由總線仲裁單元根據(jù)特殊的 優(yōu)先原則將總線控制權(quán)賦予相應(yīng)的主設(shè)備； 5 為了降低功耗，各種信號(hào)般都盡可能保持不變，并且多采用單向信號(hào) 線，這樣也利于結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化以及時(shí)鐘的同步。基本上，這些總線都把輸入數(shù)據(jù) 線和輸出數(shù)據(jù)線分開(kāi)，并且都沒(méi)有信號(hào)線復(fù)用的現(xiàn)象n 卜2 2 1 。 1 2s o c 片上總線介紹 s o c 設(shè)計(jì)往往涉及到i p 核可移植性、設(shè)計(jì)復(fù)用。這些i p 可能是自己開(kāi)發(fā) 的，也有可能是來(lái)自第三方的。要把不同的i p 核組成一個(gè)s o c 系統(tǒng)，就需要 這些i p 核具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，使用片上總線( o c b ，o nc h i pb u s ) 就是解決這個(gè) 問(wèn)題的有效途徑。片上總線是基于以下原因而出現(xiàn)的：首先是在s o c 設(shè)計(jì)中， 確實(shí)需要一個(gè)好的可靠的s o c 集成方法；其次，在大型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要有一 個(gè)公用的接口規(guī)范來(lái)方便結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，最后它還受到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)總線，如p c i 、 v m e 、i s a 等系統(tǒng)集成方法的影響。 在s o c 市場(chǎng)上，已經(jīng)出現(xiàn)了多種面向片內(nèi)總線結(jié)構(gòu)，下面對(duì)一些典型的片 上總線結(jié)構(gòu)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。 1 2 1c o r e co n n e c t 總線 c o r e c o n n e c t 擁有完備的一整套技術(shù)文檔，在技術(shù)上可行性較強(qiáng)。i b m 公 司的c o r e c o n n e c t 連接總線還提供了三種基本類型連接功能塊，即處理器內(nèi)部 總線p l b ( p r o c e s s o rl o c a lb u s ) 、片上外圍總線o p b ( o n c h i pp e r i p h e r a lb u s ) 和設(shè)備控制總線d c r ( d e v i c ec o n t r o lr e g i s t e r ) 。c o r e c o n n e c t 總線的邏輯結(jié)構(gòu) 如圖1 - 1 所示，它清楚地定義了所有的系統(tǒng)構(gòu)成部件以及它們是如何連接的， 下面對(duì)p l b 、d c r 和o p b 分別進(jìn)行簡(jiǎn)介。 哈爾濱理t 大學(xué)t 學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 1c o r ec o n n e c t 總線邏輯結(jié)構(gòu) f i g 1 - 1c o r ec o n n e c tb u sl o g i cs n u d c l j r e 1 p l bpl b 標(biāo)準(zhǔn)是為總線傳輸?shù)闹饕l(fā)出者和接收者之間提供高帶寬、 低延遲的連接。 2 o p bo p b 標(biāo)準(zhǔn)為連接具有不同的總線寬度及時(shí)序要求的外設(shè)和內(nèi)存提 供了一條途徑，并盡量減小對(duì)p l b 性能的影響。一些低性能設(shè)備都連在o p b 上。在p l b 與o p b 之間有一個(gè)o p b 橋，用來(lái)完成p l b 主設(shè)備與o p b 從設(shè)備 之間的數(shù)據(jù)傳輸。 3 d c r 設(shè)備控制寄存器總線d c r 是用來(lái)規(guī)范c p u 通用寄存器設(shè)備，控 制寄存器之間傳輸數(shù)據(jù)，在各種p l b 和o p b 的主、從設(shè)備中配置狀態(tài)寄存器 和控制寄存器，這就使p l b 從低性能狀態(tài)中減小負(fù)荷，更有效地控制讀寫傳輸。 d c r 總線在內(nèi)存地址映射中取消了配置寄存器，減少取操作，增加處理器內(nèi)部 總線的帶寬。 c o r e c o n n e c t 是一套精心設(shè)計(jì)和構(gòu)造完整、通用的解決方案，可以應(yīng)用在類 似于工作站這樣的高性能系統(tǒng)的連接，對(duì)于簡(jiǎn)單的嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能有點(diǎn)太 復(fù)雜，提供的許多特性無(wú)法用到，但可以適應(yīng)于未來(lái)更龐大、更復(fù)雜的系統(tǒng)連 接乜3 2 鍆。 1 2 2a m b a 總線 a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ，先進(jìn)微控制器總線體系 結(jié)構(gòu)) 總線規(guī)范是a r m 公司設(shè)計(jì)的一種用于高性能嵌入式系統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)。 它獨(dú)立于處理器和制造工藝技術(shù)，增強(qiáng)了各種應(yīng)用中的外設(shè)和系統(tǒng)宏單元的可 重用性，該規(guī)范引入的先進(jìn)高性能總線( 觸 b ) 是現(xiàn)階段a m b a 實(shí)現(xiàn)的主要形 式。a m b a 總線也是一個(gè)多總線系統(tǒng)。規(guī)范定義了三種可以組合使用的不同類 哈爾濱理_ t 大學(xué)t 學(xué)碩十學(xué)位論文 型的總線：a h b ( a d v a n c e dh i g h - p e r f o r m a n c eb u s ，先進(jìn)高性能總線) 、a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ，高級(jí)系統(tǒng)總線) 和a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ，高 級(jí)外設(shè)總線) 。 1 a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ，先進(jìn)高性能總線)連接高性 能系統(tǒng)模塊。它支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式及單個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方式，所有時(shí)序參考同 一個(gè)時(shí)鐘沿； 2 a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ，高級(jí)系統(tǒng)總線)連接高性能系統(tǒng)模塊， 它支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式； 3 a p b ( a d v a n c ep e r i p h e r a lb u s ，高級(jí)外設(shè)總線)個(gè)簡(jiǎn)單接口支持低性 能的外圍接口。 一個(gè)典型的基于a m b a 的微控制器同時(shí)集成a h b ( 或a s b ) 和a p b 接口， 如圖1 - 2 所示。a s b 總線是舊版的系統(tǒng)的總線，而新版的a h b 總線增強(qiáng)了對(duì) 性能、綜合及時(shí)序驗(yàn)證的支持。a p b 總線通常用作的局部的第二總線，作為a h b 或a s b 上的單個(gè)從屬模塊。 圖1 - 2a m b a 總線的邏輯結(jié)構(gòu) f i g 1 - 2a m b a b u sl o g i cs t r u c t u r e 根據(jù)a m b a 的規(guī)范，連接a h b a s b 和a p b 的a p b 橋的唯一功能是提供 更簡(jiǎn)單的接口。任何由低性能外圍設(shè)備產(chǎn)生的延遲會(huì)由連接高性能( a h b a s p ) 總線橋反映出來(lái)。橋本身仿佛是一個(gè)簡(jiǎn)單a p b 總線的主設(shè)備，它訪問(wèn)與之相連 的從設(shè)備，并且通過(guò)高性能總線上控制信號(hào)的子集控制它們。 a m b a 是一種基本的s o c 總線，它分成三種總線。根據(jù)需要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者 必須選擇對(duì)接三種總線中的哪一種。一個(gè)高性能設(shè)備可能選擇a h b 或a s p 總 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 線，這將i p 核集成者帶來(lái)困難，因?yàn)閮煞N總線都試圖訪問(wèn)同一類型的設(shè)備。還 沒(méi)有明確的辦法將設(shè)備與a h b 和a s b 總線集成。a p b 橋似乎不但不會(huì)提供任 何好處，而且會(huì)限制連接在上面的高性能總線。所有三種總線都包含一個(gè)地址 狀態(tài)和一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)心朝啪1 。 1 2 3o c p 總線 o c p ( o p e nc o r ep r o t o c o l ，開(kāi)放核協(xié)議) 總線是由o c p i p ( o p e nc o r ep r o t o c o l i n t e r n a t i o n a lp a r t n e r s h i p ) 國(guó)際組織提出的片上總線協(xié)議，與其他總線不同的是 它不但規(guī)定數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，還規(guī)定了測(cè)試信號(hào)。 o c p 總線規(guī)范中不僅規(guī)定了數(shù)據(jù)總線信號(hào)和控制信號(hào)，而且規(guī)定了測(cè)試信 號(hào)，并且o c p 的數(shù)據(jù)總線和地址總線均是可配置的。o c p 總線規(guī)范使用同步的 單向信號(hào)來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和時(shí)序分析，同時(shí)也采用了主從結(jié)構(gòu)。o c p 總線支持 流水線操作，并且通過(guò)線程標(biāo)識(shí)符( t h r e a di d e n t i f i e r s ) 管理方式實(shí)現(xiàn)并發(fā)傳送， 大大增加了數(shù)據(jù)吞吐率。其數(shù)據(jù)總線和地址總線的寬度也是可以改變的。 對(duì)于大部分片上互聯(lián)的通信方式都可以使用o c p ： 1 p 2 p 通信，在多數(shù)流水線信號(hào)的應(yīng)用上。 2 簡(jiǎn)單從端口應(yīng)用，例如低速外設(shè)接口。 3 高性能，延遲敏感，多線程應(yīng)用，例如多存儲(chǔ)d r a m 結(jié)構(gòu)。 o c p 在i p 核之間定義了一個(gè)高性能獨(dú)立總線接口，可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間，實(shí) 際風(fēng)險(xiǎn)和成本消耗。o c p 與v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c ea l l i a n c e ) 公司的v c i ( v i r t u a lc o m p o n e n ti n t e r f a c e ) 非常類似。v c l 只定義了i p 核通信中數(shù)據(jù)流方 面的內(nèi)容，而o c p 更像是v c i 的功能擴(kuò)展集，o c p 把所有的內(nèi)核通信統(tǒng)一成 一個(gè)整體，包括邊頻控制、檢測(cè)動(dòng)力信號(hào)等，它的同步單向信號(hào)大大簡(jiǎn)化了i p 核的實(shí)現(xiàn)、綜合和時(shí)序分析。o c p 標(biāo)準(zhǔn)是目前唯一一個(gè)無(wú)所有權(quán)，公開(kāi)許可， 并給出i p 核系統(tǒng)級(jí)綜合要求的以核為中心的協(xié)議，克服了反復(fù)定義、校驗(yàn)、證 明和兼容接口的復(fù)雜性。圖1 - 3 為一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)。 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 3o c p 總線結(jié)構(gòu) f i g 1 3o c pb u sl o g i cs t r u c t u r e i p 核的性質(zhì)決定了它是否需要主從設(shè)備，接口包裝模塊是作為o c p 連接實(shí) 體的補(bǔ)充部分。一次系統(tǒng)傳輸過(guò)程如下：一個(gè)系統(tǒng)o c p 主設(shè)備向它所連接的從 設(shè)備( 總線包裝接口模塊) 發(fā)送命令、控制或者數(shù)據(jù)，接口模塊向片上總線系 統(tǒng)提出請(qǐng)求，o c p 并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)嵌入式總線的功能，它是將o c p 的請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成嵌 入式總線操作來(lái)傳輸，接收總線包裝接口模塊( 作為o c p 主設(shè)備) 再將這個(gè)嵌 入式總線操作轉(zhuǎn)換成一個(gè)合法的o c p 命令，o c p 從設(shè)備接收這個(gè)命令并執(zhí)行。 這就完成了一次傳輸過(guò)程。在此過(guò)程中，由于o c p 并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)嵌入式總線的功 能，o c p 的請(qǐng)求是通過(guò)嵌入式總線操作完成的。 o c p 協(xié)議可以提供極高性能的多線程，同步初始和單請(qǐng)求多數(shù)據(jù)事務(wù)。 o c p 數(shù)據(jù)傳輸模型范圍可以從簡(jiǎn)單通過(guò)通道請(qǐng)求相應(yīng)的請(qǐng)求握手到復(fù)雜的亂序 操作陽(yáng)拍1 。 1 2 4w i s h b o n e 總線 w i s h b o n e 總線是s i l i c o r e 公司推出的片上總線協(xié)議，目前w i s h b o n e 總線已 經(jīng)被全球最大的開(kāi)放i p 組織( o p e n c o r e s ) 列為主要支持的s o c 內(nèi)部互連總線 協(xié)議。遵循w i s h b o n e 總線協(xié)議的i p 核可以很快有效地集成到s o c 中。目前， o p e n c o r e s 上很多開(kāi)放的i p 核接口都采用w i s h b o n e 總線設(shè)計(jì)。而且越來(lái)越多 的i p 核商用廠商也宣布支持w i s h b o n e 總線協(xié)議。它的結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單、靈活， 哈爾濱理工大學(xué)t 學(xué)碩士學(xué)位論文 又完全公開(kāi)、完全免費(fèi)，獲得眾多支持。圖卜4 給出了w i s h b o n e 總線的邏輯結(jié) 構(gòu)。 h i g h p e r f o r m a n c e c p u c o r c j a r b i t e r i 圖1 - 4w i s h b o n e 總線的邏輯結(jié)構(gòu) f i g 1 - 4w i s h b o n eb u sl o g i cs t r c u t u r e w i s h b o n e 總線采用握手協(xié)議。當(dāng)m a s t e r 準(zhǔn)備好傳輸數(shù)據(jù)時(shí)置s t bo 為 高，s t bo 將保持高狀態(tài)直到s l a v e 將a c ki 、e r ri 或r t yi 之一置為高， 數(shù)據(jù)傳輸周期結(jié)束。這種機(jī)制下，m a s t e r 和s l a v e 均可控制數(shù)據(jù)傳輸速率。 其握手時(shí)序如圖1 - 5 。 a 鬣重 g 瞧 褥鬣t 圖1 - 5 握手時(shí)序 f i g 1 5l o c a lb u sh a n d s h a k i n gp r o t o c 0 1 w i s h b o n e 總線有四種將m a s t e r 與s l a v e 連接在一起方式，分別為點(diǎn)對(duì) 點(diǎn)、數(shù)據(jù)流、共享總線和十字互連。其中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式可以最簡(jiǎn)單地將一個(gè) m a s t e r 與一個(gè)s l a v e 相連；數(shù)據(jù)流方式可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧魉?；共享?線方式將多個(gè)m a s t e r 和s l a v e 相連，不過(guò)任何時(shí)刻只能有一個(gè)m a s t e r 占 據(jù)總線；十字互連則可實(shí)現(xiàn)多個(gè)m a s t e r 和多個(gè)s l a v e 之間同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。 w i s h b o n e 總線有三種數(shù)據(jù)傳輸方式，分別為單讀寫、塊讀寫和r m w ( r e a d m o d i f y w r i t e ) ，其中單讀寫為最簡(jiǎn)單。 由于w i s h b o n e 總線的簡(jiǎn)單性和可移植性，它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。它可以 應(yīng)用于簡(jiǎn)單的嵌入式控制器中和一些高速系統(tǒng)中。但是在高性能的系統(tǒng)中，它 往往不能準(zhǔn)確地從多個(gè)執(zhí)行程序中終止相應(yīng)的單個(gè)執(zhí)行程序睜3 2 1 。 哈爾濱理t 大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 5a v a l o n 總線 a v a l o n 總線是a l t e r a 公司設(shè)計(jì)的用于s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ， 可編程片上系統(tǒng)) 中，連接片上處理器和其它i p 模塊的一種簡(jiǎn)單的總線協(xié)議， 規(guī)定了主部件和從部件之間進(jìn)行連接的端口和通信的時(shí)序。 a v a l o n 總線的主要設(shè)計(jì)目的是：簡(jiǎn)單性，提供一種非常易于理解的協(xié)議； 優(yōu)化總線邏輯的資源使用率，將邏輯單元保存在p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ，可編程邏輯器件) 中；同步操作，將其它的邏輯單元很好地集成到同 一p l d 中，同時(shí)避免復(fù)雜的時(shí)序。 傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)中，一個(gè)中心仲裁器控制多個(gè)主設(shè)備和從設(shè)備之間的通信。 這種結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瓶頸，因?yàn)槿魏螘r(shí)候只有一個(gè)主設(shè)備能訪問(wèn)系統(tǒng)總線。 a v a l o n 總線的開(kāi)關(guān)構(gòu)造使用一種稱之為從設(shè)備仲裁( s l a v e s i d ea r b i t r a t i o n ) 的 技術(shù)，允許多個(gè)主設(shè)備控制器真正地同步操作。當(dāng)有多個(gè)主設(shè)備訪問(wèn)同一個(gè)從 設(shè)備時(shí)，從設(shè)備仲裁器將決定哪個(gè)主設(shè)備獲得訪問(wèn)權(quán)。a v a l o n 開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化了 數(shù)據(jù)流，從而提高了系統(tǒng)的吞吐量。圖卜6 給出了a v a l o n 總線的邏輯結(jié)構(gòu)： b u ss i g n a l w r i t ed a t a _ 一 c o n t r o ls i g m a 圖1 - 6a v a l o n 總線的邏輯結(jié)構(gòu) f i g 1 - 6a v a l o nb u sl o g i cs t r u c t u r e a v a l o n 接口規(guī)范是為可編程片上系統(tǒng)s o p c 環(huán)境下外設(shè)的開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的， 為外設(shè)的設(shè)計(jì)者提供描述主外設(shè)和從外設(shè)中基于地址讀寫接口的基礎(chǔ)。a v a l o n 哈爾濱理- t 大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 采用了開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及從部件仲裁方式提供對(duì)主部件的同時(shí)互連，外部件與a v a l o n 時(shí)鐘同步操作，使用非三態(tài)總線，主、從部件間多種帶寬互連，支持?jǐn)?shù)據(jù)流傳 輸。a v a l o n 同時(shí)對(duì)總線信號(hào)的定時(shí)、主從部件傳輸?shù)男盘?hào)作了定義，以便于不 同i p 核的集成。a l t e r a 大部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的i p 都采用該標(biāo)準(zhǔn)曲3 刪。 1 2 6 片上總線的特點(diǎn) 通過(guò)前文對(duì)五種當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的片上總線介紹，可以看出這五種總線 都采用完全同步的方式，在時(shí)鐘信號(hào)上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或采樣，很好地貫徹 了可重用設(shè)計(jì)思想。而且，它們?cè)诳偩€操作方式上也基本相同。五種總線最明 顯的不同之處在于它們具體的自定信號(hào)使用、性能參數(shù)、提供協(xié)議的完整性以 及對(duì)協(xié)議應(yīng)用的嚴(yán)格性。 此外，片上總線的使用問(wèn)題也很重要。雖然這五種總線都聲明免費(fèi)，但是 c o r e c o n n e c t 總線協(xié)議和a m b a 總線協(xié)議需要用戶注冊(cè)；a v a l o n 總線協(xié)議也可 以免費(fèi)在官方網(wǎng)站上下載，但是配套的綜合軟件是需要注冊(cè)或付費(fèi)的；o c p 的 情況與a v a l o n 總線協(xié)議差不多，不同之處是它的配套綜合軟件和編譯軟件只對(duì) 聯(lián)盟的會(huì)員免費(fèi)；w i s h b o n e 總線則是完全免費(fèi)，并且開(kāi)放知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊組織 ( o p e n c o r e s ) 已將w i s h b o n e 作為自己開(kāi)發(fā)s o c 系統(tǒng)采用的總線結(jié)構(gòu)，這就意 味著對(duì)于w i s h b o n e 總線連接的i p 核也將是免費(fèi)的，對(duì)于其它四種總線來(lái)說(shuō)則 沒(méi)有這樣的免費(fèi)資源了。 通過(guò)前文的介紹，本文將選擇a v a l o n 總線和w i s h b o n e 總線作為總線轉(zhuǎn)換 橋的基本設(shè)計(jì)，其原因不在贅述。在后續(xù)的工作中會(huì)逐步將其他使用較廣泛并 且資源豐富的總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能增加到這個(gè)總線轉(zhuǎn)換橋中，最后實(shí)現(xiàn)多總線 協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。 1 3 總線橋的引入 系統(tǒng)總線是構(gòu)成許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是計(jì)算機(jī)各部件間的通信通道。 總線的概念和總線結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)層次發(fā)揮著重大的作用。隨著技術(shù) 的發(fā)展，日益增長(zhǎng)的需求，在一些應(yīng)用和研究項(xiàng)目中，需要給予不同總線標(biāo)準(zhǔn) 的計(jì)算機(jī)以同時(shí)滿足與它們有關(guān)的性能要求。 與此同時(shí)，在新的總線標(biāo)準(zhǔn)推出以后，希望能夠繼承在以往總線標(biāo)準(zhǔn)上積 累的軟硬件技術(shù)和資源，也要求在不同總線標(biāo)準(zhǔn)間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換提供高速的數(shù) 據(jù)通信能力。為此，要達(dá)到上述的目的就需要一種雙向、快速的并行通信機(jī)制， 哈爾濱理_ t 大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 因而出現(xiàn)了總線橋的概念：總線橋是一種總線互聯(lián)方法，它通過(guò)一個(gè)自行定義 的雙向通信協(xié)議( b b p - b u sb r i d g ep r o t o c 0 1 ) ，獲得總線間的高速數(shù)據(jù)通信能力， 同時(shí)，間接實(shí)現(xiàn)多總線標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。 1 , 3 1 總線橋的結(jié)構(gòu)與性能 從多機(jī)系統(tǒng)的角度看，總線橋應(yīng)使得橋一側(cè)總線上的主設(shè)備能夠與另一側(cè) 的主設(shè)備共享彼此擁有的資源。從總線的角度理解，總線橋應(yīng)處理兩側(cè)總線地 址空間的分配，中斷與總線申請(qǐng)的響應(yīng)，在總線標(biāo)準(zhǔn)不同的情況下，還需要進(jìn) 行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，異步時(shí)序與同步時(shí)序的協(xié)議。在理想的情況下，總線橋的 連接系統(tǒng)在彼此間有效通信的同時(shí)，都能以各自的最佳性能工作。 總線橋?qū)Φ刂返奶幚矸椒ㄓ袃煞N，一為全局編址方法，橋連接的所有資源 的地址由其在系統(tǒng)內(nèi)的地址與設(shè)備前綴組成，另一種方法為在每臺(tái)機(jī)器的地址 空間中為當(dāng)前對(duì)接的其他設(shè)備開(kāi)辟一個(gè)存儲(chǔ)窗口，通過(guò)彼此的窗口實(shí)現(xiàn)地址空 間的映像。 總線橋?qū)τ谲浖耐该鞫扰c傳輸率和互連靈活性有著相互制約的關(guān)系。當(dāng) 總線橋?qū)崿F(xiàn)了兩側(cè)總線完全同步的轉(zhuǎn)接時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)軟件的透明度最大，但硬 件實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜，同時(shí)為同步而互相等待導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的傳輸率下降到最慢一側(cè) 的水平。 1 3 2 片上總線轉(zhuǎn)換橋與傳統(tǒng)總線橋的區(qū)別 片上總線轉(zhuǎn)換橋與傳統(tǒng)總線橋不同之處在于從嵌入式系統(tǒng)的角度來(lái)看，片 上總線轉(zhuǎn)換橋應(yīng)做到基于其他總線協(xié)議設(shè)計(jì)的i p 模塊在其應(yīng)用的總線系統(tǒng)下能 正常的使用，并且總線轉(zhuǎn)換橋在處理地址、中斷以及總線申請(qǐng)的響應(yīng)同時(shí)做到 最低限度的占用系統(tǒng)資源，但要做到最大化的對(duì)i p 模塊的利用；對(duì)于多系統(tǒng)間 的轉(zhuǎn)換同樣要做到傳統(tǒng)總線橋的功能。在響應(yīng)速度問(wèn)題上，應(yīng)盡量做到外設(shè)與 系統(tǒng)同步，控制器與總線同步，實(shí)現(xiàn)最大程度上的實(shí)時(shí)操作。從根本上是做到 了協(xié)議的轉(zhuǎn)換。 從功能的角度來(lái)看，片上總線轉(zhuǎn)換橋與傳統(tǒng)總線橋也有很大的區(qū)別。傳統(tǒng) 總線橋在橋的兩側(cè)可以是外設(shè)之間的連接：可以是系統(tǒng)與外設(shè)間的連接：還可 以是處理器與系統(tǒng)之間的連接。但總的來(lái)說(shuō)傳統(tǒng)總線橋的連接是一種“硬”連 接，對(duì)于其所提供的接1 ：3 來(lái)說(shuō)是不可改變或很難改變的。片上總線轉(zhuǎn)換橋在基 本功能上與傳統(tǒng)總線橋式一樣的，但它所提供的是一種“軟 連接，是一種可 哈爾濱理丁大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 以靈活調(diào)整或改變的接口模塊。并且片上總線轉(zhuǎn)換橋全部是由v e r i l o g 硬件描述 語(yǔ)言所描述，用編譯軟件和綜合軟件進(jìn)行編譯下載到芯片當(dāng)中，可以做到實(shí)時(shí) 的調(diào)試和修改，從而降低了開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了產(chǎn)品的成型率碡叫引。 1 4 本課題研究現(xiàn)狀和意義 隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的集成度已達(dá)到數(shù)千萬(wàn)個(gè)晶體管， 這就使得在單芯片上實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)一系統(tǒng)芯片成為必然的趨勢(shì)。然而集成電 路設(shè)計(jì)能力的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展。因此，設(shè)計(jì)重用( 即i p 復(fù)用問(wèn)題) 成為解決工藝水平和集成電路設(shè)計(jì)效率之間最有效的途徑。i p 是集 成電路知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊的簡(jiǎn)稱，集成電路產(chǎn)業(yè)中的i p 定義為重用于系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì) 中，預(yù)先設(shè)計(jì)，預(yù)先驗(yàn)證過(guò)，符合工業(yè)界普遍認(rèn)同的設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的電 路模塊。 為了能將不同的i p 集成到s o c 中去，不同的i p 供應(yīng)商設(shè)計(jì)i p 時(shí)應(yīng)盡可能 遵循標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議以保證i p 集成商能夠?qū)?lái)自不同供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的i p 快速、 可靠地集成到s o c 中去。通過(guò)前文的介紹可以看出，o c p 以及v s i a 在做通 用接口，但是在系統(tǒng)集成過(guò)程中還是需要它們各自協(xié)議的支持，同樣不能做到 不同總線體系之間i p 的復(fù)用。在現(xiàn)有的技術(shù)中，只有在同一總線體系下的系統(tǒng) 總線與外設(shè)總線之間的總線橋，而對(duì)于不同總線體系之間的轉(zhuǎn)換的研究幾乎沒(méi) 有，在這一領(lǐng)域還存在很多的空白。 本課題主要研究的是基于i p 復(fù)用的總線轉(zhuǎn)換橋。本文針對(duì)s o c 設(shè)計(jì)中不 同協(xié)議的總線的不同層次之間的連接問(wèn)題進(jìn)行分析與研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì) 出滿足兩種系統(tǒng)總線協(xié)議( a v a l o n 總線和w i s h b o n e 總線) 的總線橋模塊。完成 這一模塊的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證一方面是對(duì)片上總線之間的連接做了實(shí)踐與嘗試，另一 方面也為系統(tǒng)總線之間的總線橋設(shè)計(jì)的一般方法研究積累了經(jīng)驗(yàn)。 1 5 本課題主要研究?jī)?nèi)容 本文主要研究的是不同s o c 體系結(jié)構(gòu)( a v a l o n 總線和w i s h b o n e 總線) 中 具有不同協(xié)議的系統(tǒng)總線間的總線轉(zhuǎn)換橋的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法。該總線橋的設(shè)計(jì) 能擴(kuò)展i p 核的適用范圍，提高i p 核的復(fù)用率。研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)部分： 1 在研究分析a v a l o n 總線和w i s h b o n e 總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)總線 轉(zhuǎn)換橋的體系結(jié)構(gòu)，確定其讀、寫操作時(shí)序，完善其功能。 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 根據(jù)第一部分分析得出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總線轉(zhuǎn)換橋模塊劃分，并對(duì)其進(jìn)行 r t l 級(jí)建模。本論文采用的r t l 描述語(yǔ)言是v e r i l o gh d l 。 3 最后對(duì)設(shè)計(jì)好的總線轉(zhuǎn)換橋進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并研究相關(guān)的驗(yàn)證技術(shù)。 哈爾濱理t 大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章a v a l o n 總線及w i s h b o n e 總線協(xié)議分析 在市場(chǎng)現(xiàn)有的眾多片內(nèi)總線中，由a l t e r a 公司開(kāi)發(fā)的a v a l o n 片上總線結(jié)構(gòu) 具有性能好、應(yīng)用范圍廣和協(xié)議規(guī)范公開(kāi)化等優(yōu)點(diǎn)，使它成為眾多i p 開(kāi)發(fā)商和 s o c 系統(tǒng)集成者廣為采用的一種流行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)片上總線結(jié)構(gòu)。 w i s h b o n e 最先是由s i l i c o r e 公司提出的，現(xiàn)在已被移交給o p e n c o r e s 組織 維護(hù)。由于其開(kāi)放性，現(xiàn)在已有很大一批的用戶群體，特別是一些免費(fèi)的i p 核， 基本上都采用w i s h b o n e 標(biāo)準(zhǔn)。 由于前文已對(duì)a v a l o n 總線協(xié)