1.引言

SoC(System on a Chip)自20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)以來(lái)，廣受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注， SoC通常將微處理器、 IP(Intelligence Property)核和存儲(chǔ)器(或片外存儲(chǔ)控制接口)集成在單一芯片上，具有小型、輕量、低功耗、多功能、高可靠和低成本化等特征，在計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類(lèi)電子、工控、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

隨著基于IP復(fù)用技術(shù)的 SoC設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，片上總線(xiàn) OCB(on-chip Bus)技術(shù)成為解決 SoC發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前主要有三大主流片上總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)： IBM公司的 CoreConnect，ARM公司的AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture)以及Silicore Corp公司的 Wishbone。本文針對(duì)兩大主流 OCB總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) AMBA和CoreConnect，完成AMBA高性能系統(tǒng)總線(xiàn)AHB和CoreConnect的外圍總線(xiàn) OPB之間的橋接轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)出 OPB_AHB橋接器。

2.OPB_AHB橋接器功能特性

AHB是ARM公司微控制器總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu) AMBA規(guī)范定義的三種總線(xiàn)之一，它是先進(jìn)的系統(tǒng)總線(xiàn)，用于連接高性能系統(tǒng)模塊，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， AHB總線(xiàn)可掛接多個(gè)功能模塊(主 /從)，并為它們提供高帶寬、低延遲的總線(xiàn)連接。

OPB總線(xiàn)是IBM公司推出的一種芯片級(jí)的外圍設(shè)備總線(xiàn)， OPB總線(xiàn)主要連接外圍低速設(shè)備，降低外圍設(shè)備對(duì)系統(tǒng)性能的影響，支持突發(fā)( Burst)操作 。

Xilinx公司的軟核處理器 MicroBlaze能夠很好的支持 OPB總線(xiàn)協(xié)議， MicroBlaze環(huán)境的 OPB總線(xiàn)都是 32位的地址位寬和數(shù)據(jù)位寬，支持 8bit、16bit、32bit的數(shù)據(jù)傳輸 。本文設(shè)計(jì)的OPB_AHB橋接器主要是完成以下四個(gè)功能。

3.OPB_AHB橋接器結(jié)構(gòu)

圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的基于 MicroBlaze的OPB_AHB 橋接器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。 MicroBlaze是一個(gè)軟核處理器，整個(gè)系統(tǒng)在 Xilinx的EDK環(huán)境下實(shí)現(xiàn)， AHB_OPB橋接器可以作為 OPB設(shè)備和 AHB設(shè)備之間數(shù)據(jù)、地址和控制命令的傳輸通道。

當(dāng)OPB主設(shè)備要向 AHB從設(shè)備讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)， OPB_AHB橋接器可以作為 OPB總線(xiàn)這一側(cè)的從設(shè)備( Slave)，同時(shí)在 AHB總線(xiàn)這一側(cè)充當(dāng)主設(shè)備 (Master)的角色，此時(shí) OPB_AHB橋接器主要工作是由圖 2中OPB2AHB bridge完成。當(dāng) AHB主設(shè)備要向 OPB從設(shè)備讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)， OPB_AHB橋接器可以作為AHB總線(xiàn)這一側(cè)的從設(shè)備( Slave)，同時(shí)在 OPB總線(xiàn)這一側(cè)充當(dāng)主設(shè)備 (Master)的角色，此時(shí) OPB_AHB橋接器主要工作是由圖 2中AHB2OPB bridge完成[4]。

4.OPB_AHB橋接器的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)兩種總線(xiàn)的互聯(lián)，關(guān)鍵是完成控制信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)和地址的傳輸，本設(shè)計(jì)采用的方法包括。

(1)流水線(xiàn)方式， (2)將所有輸入的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)地址總線(xiàn)都寄存一拍。

(3)控制信號(hào)都采用同 (4)步設(shè)計(jì)方法， (5)在OPB_Clk的上升沿觸發(fā)。

(6)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作為同 (7)步讀寫(xiě)。

4.1OPB2AHB_Brg的實(shí)現(xiàn)

(1) 所有控制信號(hào)采用同步設(shè)計(jì)思想，在 SOPB_Clk的上升沿觸發(fā)。 SOPB_Rst高電平有效，為同步復(fù)位，當(dāng)其有效時(shí)，所有信號(hào)輸出 0狀態(tài)。

(2) 當(dāng)橋接器檢測(cè)到 SOPB_Sel信號(hào)有效時(shí)，即表明橋接器被選中，成為 OPB總線(xiàn)上的從設(shè)備，或者檢測(cè)到 AHB_Resp信號(hào)狀態(tài)為RETRY，此時(shí) OPB2AHB_Brg作為AHB總線(xiàn)上的主設(shè)備向 AHB仲裁器發(fā)出請(qǐng)求總線(xiàn)信號(hào) AHB_BusReq。

(3) 當(dāng)OPB2AHB_Brg檢測(cè)到 AHB總線(xiàn)側(cè)的允許信號(hào) AHB_Grants時(shí)，說(shuō)明橋接器的請(qǐng)求得 到允許，此時(shí)當(dāng) AHB_Ready有效時(shí)，可以根據(jù) SOPB_BE判斷傳輸數(shù)據(jù)的大小，決定 AHB_Size的狀態(tài)，當(dāng) SOPB_BE為1111時(shí)，AHB_Size為010(32bit)，SOPB_BE為1100或0011時(shí)，AHB_Size為001(16bit)，SOPB_BE為0001、0010、0100、1000時(shí)，AHB_Size為000(8bit)。

(4) 當(dāng)SOPB_RNW為高電平時(shí)，為讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流向是從 AHB_Rdata到Sl_Dbus，當(dāng) SOPB_RNW為低電平時(shí)，為寫(xiě)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流向從 SOPB_Dbus到AHB_Wdata。地址總線(xiàn)相連，即SOPB_Abus連接AHB_Addr。

(5)當(dāng)一次數(shù)據(jù)傳輸完成后， (6)置位Sl_xferAck信號(hào)， (7) 讓其輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的高脈沖。

4.2 AHB_OPB_Brg的實(shí)現(xiàn)

(1) 當(dāng)橋接器檢測(cè)到 AHB_Sel信號(hào)有效時(shí)，即表明橋接器被選中，成為AHB總線(xiàn)上的從設(shè)備，此時(shí)AHB2OPB_Brg作為OPB總線(xiàn)上的主設(shè)備向 OPB仲裁器發(fā)出請(qǐng)求總線(xiàn)信號(hào) M_req。

(2)當(dāng)橋接器接收到 OPB仲裁器發(fā)出的允許信號(hào) OPB_Mgrant信號(hào)時(shí)， (3)表明橋接器可以

開(kāi)始工作，(4)這個(gè)信號(hào)會(huì)激勵(lì) M_Sel信號(hào)有效， (5)根據(jù) IP核 BK3721的功能特性， (6) M_BE總是輸出 1111，(7) M_SeqAddr和M_busLock輸出為0。

(3) 當(dāng)AHB_Write為高電平時(shí)，為寫(xiě)數(shù)據(jù)有效，此時(shí) AHB主設(shè)備向從設(shè)備橋接器寫(xiě)數(shù)據(jù)，同時(shí)橋接器作為 OPB總線(xiàn)上的主設(shè)備向選中的 OPB從設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流向?yàn)?AHB_Wdata到 M_Dbus。當(dāng)AHB_Write為低電平時(shí)，為讀數(shù)據(jù)有效，此時(shí) AHB主設(shè)備從橋接器(作為 AHB總線(xiàn)上的從設(shè)備)讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)橋接器作為 OPB總線(xiàn)的主設(shè)備從選中的 OPB從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流向?yàn)镺PB_DBus到AHB_RData。

(8)當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸指 (9)示信號(hào)OPB_xferAck被檢測(cè)有效時(shí)， (10) AHB_Ready信號(hào)輸出高電平有效信號(hào)， (11)表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

5.OPB_AHB橋接器的驗(yàn)證

5.1 OPB2AHB_Brg的驗(yàn)證

用verilog編寫(xiě)testbench，在testbench中虛擬設(shè)備一個(gè) AHB從設(shè)備存儲(chǔ)器 AHB_mem，存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)位寬和地址位寬都是 32位，通過(guò)測(cè)試平臺(tái)可以對(duì)虛擬存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，并將數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)結(jié)果保存到 Wdata.txt文件中。

利用ModelSim工具對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行仿真。在主設(shè)備向虛擬從設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)， SOPB_RNW為低電平，橋接器作為AHB上的主設(shè)備將 SOPB_DBus數(shù)據(jù)線(xiàn)上的數(shù)據(jù)通過(guò) AHB_Wdata寫(xiě)到 AHB_mem存儲(chǔ)器中，并在 WData.txt文件中顯示出來(lái)，仿真結(jié)果如圖 3 (a)所示。

在主設(shè)備從虛擬從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)時(shí)， SOPB_RNW為高電平，橋接器作為 AHB上的主設(shè)備將AHB_mem存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通過(guò) AHB_Rdata讀取到Sl_Dbus數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，并在 WData.txt文件中顯示出來(lái)，仿真結(jié)果如圖 3 (b)所示。

5.2 AHB2OPB_Brg的驗(yàn)證

AHB2OPB_Brg驗(yàn)證平臺(tái)主要分為測(cè)試激勵(lì)，被測(cè)對(duì)象以及響應(yīng)輸出三部分。測(cè)試過(guò)程為：首先對(duì)測(cè)試激勵(lì)進(jìn)行初始化，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)及控制信號(hào)，然后向虛擬 OPB從設(shè)備(mem存儲(chǔ)器)寫(xiě)數(shù)據(jù)，寫(xiě)完數(shù)據(jù)后等待一段時(shí)間在進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)操作。在ModelSim中仿真結(jié)果如圖 4所示。

通過(guò)觀察，當(dāng)寫(xiě)信號(hào)時(shí)， AHB_WData數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)能夠正確的寫(xiě)入到虛擬從設(shè)備 OPB_mem中，當(dāng)讀信號(hào)有效時(shí)，虛擬從誒設(shè)備 OPB_mem中的數(shù)據(jù)能夠正確通過(guò) OPB_Dbus傳輸?shù)紸HB_RData總線(xiàn)上。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文在分析了 AMBA總線(xiàn)協(xié)議和 OPB總線(xiàn)協(xié)議的基礎(chǔ)上，給出了OPB_AHB橋接器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方案。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是采用同步設(shè)計(jì)和流水線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，能夠正確的轉(zhuǎn)換 OPB總線(xiàn)與 AHB總線(xiàn)之間的數(shù)據(jù)、地址、控制信號(hào)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。最后通過(guò) Xilinx的ISE綜合和時(shí)序仿真，最高頻率達(dá)到 100MHZ，并導(dǎo)入到 EDK環(huán)境中，選擇MicroBlaze軟核處理器構(gòu)建 SoC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) OPB與AHB總線(xiàn)協(xié)議的互連。