面向可重用SoC设计的片上总线
引言
随着深亚微米技术的发展和应用，工艺上已经允许设计包含几亿个晶体管的芯片。运用这种工艺，完全可以实现在一块芯片内集成一个系统，即所谓的SoC，这样必然使芯片的设计方法也随之发生变化。复杂芯片的设计中最常用的方法是可重用设计。目前，设计人员面临的挑战已经不再是是否有必要采用可重用设计方法，而是如何使用可重用设计方法，从而使它在设计过程中发挥更高的效率。
图1 采用AMBA总线的系统实例
图3 Wishbone总线的逻辑结构图
可重用设计的总线标准
如何在实际设计时更有效地对各种IP核进行互联是可重用设计方法关注的一个重要问题。如果在设计中采用自定义总线，可能会得到比较优化的性能，但是这样就很难使用第三方IP模块。解决这个问题的方法就是制定并使用面向可重用设计的总线标准。
一个优秀的片上总线应该而且必须是基于可重用的设计思想，通常具有以下总线特征。
片上互连不宜使用三态总线，应该尽量采用多选总线的结构。三态总线在片上互联时存在许多问题，对于三态总线而言，最重要的是确保在任何时候总线上只存在一个驱动。如果同时有多个驱动存在，那么数据传输的可靠性将大大降低。而对于片上高性能总线，工程师几乎希望在每一周期都驱动总线，这就需要精确的时序控制技术和相关工艺的支持。
片上总线必须使用基于寄存器架构的单时钟沿。除了满足性能要求外，片上总线必须为不同来源的可重用模块提供良好的定义环境。此外，可重用IP设计一般还要求采用同步设计方式，所以，总线的设计也必须采用相同的方式，以便于集成。
地址总线和数据总线分离。
控制总线和数据总线分离，以定义用于控制的信号。
支持多个主控制器。
随着面向可重用的基于IP核互联标准技术的发展，目前已形成较有影响力的三种总线标准为：IBM公司的CoreConnect，ARM公司的AMBA和Silicore公司的Wishbone。
AMBA总线标准
AMBA是目前业界广泛使用的片上总线标准。图1给出了采用AMBA总线的系统实例。
AMBA规范定义了分别在不同情况下使用的三种总线：
先进系统总线(AHB)：它的主要目的就是连接高性能、高吞吐率的设备，例如CPU、DMA和DSP等。
通用系统总线(ASP)：是一种连接微处理器和系统外设的高性能互连总线。
外围互联总线(APB)：主要特点是功耗较低且易于使用。
AHB和ASP是高速总线，主要提供处理器与其他设计中的高带宽模块之间的接口。这种总线常使用流水外围互联总线技术，支持几种不同的传输方式，以便尽可能地利用带宽。例如，AHB有两级流水线，支持分离传输和各种突发机制。
APB是专为低速外设和处理器很少访问的外设提供的一种低速总线。通过降低APB总线上的时钟速度，可以大幅度的减少总线和相应外设产生的功耗。
CoreConnect总线标准
IBM的CoreConnect总线，在概念上类似于AMBA，采用CoreConnect总线的系统实例如图2所示。
CoreConnect总线提供了三种基本类型的连接功能块，即处理器局部总线 (PLB)、片上外设总线(OPB)和设备控制寄存器(DCR)。OPB总线主要用来连接外部设备；PLB总线用于连接处理器、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上的模块通过雏菊链的方式进行互连配置，通过它来分配配置信息，从而减少数据对OPB和PLB总线的带宽占用；OPB桥主要是实现PLB总线和OPB总线的互联。因为PLB和OPB的性能存在差异，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。这样当从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。
Wishbone总线标准
Wishbone总线是Silicore公司制定的片上总线协议。它的结构极其简单、灵活，完全公开，完全免费，获得了众多支持。图3给出了Wishbone 总线的逻辑结构。
Wishbone总线采用握手协议，当主设备准备好传输数据时置STB_O为高，STB_O将保持这一状态直到从设备将ACK_I、ERR_I或RTY_I之一置为高电平。在这种机制下，主设备和从设备均可控制数据的传输速率。
Wishbone总线将主设备与从设备连接在一起有四种方式，分别为点对点、数据流、共享总线和十字互连。其中点对点方式是最简单的主设备与从设备互连方式；数据流方式可以实现流水式数据传输；共享总线方式可以实现多个主设备和从设备的互连，不过任何时刻只能有一个主设备占据总线；十字互连则可实现多个主设备和多个从设备之间同时传输数据。
Wishbone的逻辑结构是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，则可以采用两个不同的Wishbone接口。Wishbone的用户可以根据具体情况对协议标准进行扩展和详细设计，以定义数据顺序和标签的意义。此外，用户还可以自行添加其它特性和函数。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。
结语
从上面的介绍可以看到，所有这三种总线都采用完全同步的方式，在时钟信号上升沿进行数据驱动或采样，很好地贯彻了可重用设计思想。而且，它们在总线操作方式上也基本相同。三种总线最明显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。
此外，片上总线的使用问题也很重要。虽然这三种总线都声明是免费使用，但是CoreConnect和AMBA都要求用户注册。更重要的是，虽然这两种总线是免费的，但是连接这些总线的IP不是免费的。相反，Wishbone则是绝对免费，开放知识产权模块组织(OpenCoreS)已将Wishbone作为自己开发SoC系统采用的总线结构。
从复杂程度上来讲，这三种总线结构依次从重到轻，分成三个等级。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；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、需增加自己定义部分的应用。
总之，由于IBM本身存在技术优势和巨大的影响力，可以预见即使不被广泛接受CoreConnect也能在业界长期存在。而由于ARM的大力推广和AMBA自身的技术特性，这种总线协议将会在大多数应用领域被更多的设计者采用。同时，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。