家庭网络核心SoC平台 ——基于AMBA的SoC通信架构研究

论文摘要

随着IC制造工艺的快速发展,在单一芯片上可以实现完整的系统功能,SoC（System On Chip）时代已经来临。由于传统的设计方法不能够满足SoC设计的需要,因此软硬件协同设计和IP（Intellectual Property）复用技术成为加速SoC设计的关键技术。片上总线（On Chip Bus）是SoC系统连接IP核,有效实现系统部件之间通信的主要手段。 本文所涉及的研究工作是国家“863计划”SoC专项“家庭网络核心SoC平台解决方案”的子课题。在“家庭网络核心SoC平台解决方案”中,整个家庭网络控制及互联网络接入等各项功能集成在单一芯片上。为了实现系统部件间的有效通信,满足系统的各项指标要求,鉴于AMBA总线架构具有适用于高性能SOC系统的诸多优点及其作为受到业界广泛支持的工业标准,本课题组选择AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议作为家庭网络核心平台的片上总线标准,设计实现基于AMBA标准的SoC系统总线。 由于SoC通信架构的选择关系到系统的整体性能,因此本文从拓扑和通信协议角度介绍了几种常见的通信架构模型,并从结构、时钟、传输属性以及仲裁策略等方面对片上总线架构的分类标准和性能指标进行了分析比较。 AMBA协议为多层总线结构,目前包括四种不同的总线ASB（Advanced System Bus）、AHB（Advanced High-Performance Bus）、APB（Advanced Peripheral Bus）、AXI（Advanced eXtensible Interface）。本文着重对广泛使用的AHB总线的互连结构、传输属性以及内部仲裁控制逻辑策略等进行较为详细的介绍。对复杂系统设计中AHB总线的变形结构Multi-AHB和AHB-Lite的应用进行较深入的研究,并针对家庭网关环境对高带宽和实时性的要求提出了AHB总线的可编程仲裁解决方案。 在对AMBA总线协议进行深入研究的基础上,采用自上而下的软硬件协同设计方法,利用系统级建模语言SystemC对AMBA总线进行系统级建模;遵循可复用IP（Intellectual Property）核开发流程,使用VHDL对AMBA总线部件及控制逻辑如仲裁器、解码器等进行RTL级设计,在XilinX ISE和Modelsim EDA工具环境下对总线设计进行综合仿真,通过FPGA开发板工具对设计进行验证,最后生成IP软核。 本文所完成的AMBA总线部件的设计以IP软核形式出现,可作为家庭网络SoC平台的片内通信架构,也可以作为基于SoC的IP核的功能正确性与完整性的调试、验证平台,同时可以支持对其功能进行灵活修改以便在类似SoC设计中复用。 最后对本文的工作进行了总结并且对研究前景进行了展望。

论文目录

• 第一章 引言
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 SoC Bus标准接口
• 1.2.2 常见片上总线标准
• 1.2.3 SoC Bus系统工具
• 1.3 本文技术路线
• 1.4 本文完成的目标与内容
• 第二章 SoC通信互连架构研究
• 2.1 SoC片内通信架构设计
• 2.2 常见的SoC系统通信架构模型
• 2.2.1 具有静态优先级的共享总线
• 2.2.2 分层结构总线
• 2.2.3 基于TDMA的两层总线结构
• 2.2.4 基于令牌环的通信架构
• 2.3 总线架构性能衡量指标
• 2.4 家庭网络SoC平台的片内通信架构选择
• 第三章 AMBA总线研究
• 3.1 AMBA概述
• 3.2 AHB总线互连设计
• 3.3 AMBA AHB操作概述
• 3.3.1 AHB基本传输
• 3.3.2 SPLIT传输
• 3.3.3 RETRY传输
• 3.3.4 SPLIT和RETRY传输响应的死锁预防
• 3.4 AHB总线控制信号
• 3.4.1 传输类型
• 3.4.2 进发操作类型
• 3.4.3 传输长度控制信号
• 3.4.4 总线保护控制信号
• 3.4.5 传输方向控制信号
• 3.4.6 从属传输响应信号
• 3.5 地址解码器
• 3.6 AHB仲裁器
• 3.6.1 信号描述
• 3.6.2 请求总线访问
• 3.6.3 授权总线访问
• 3.7 缺省总线控制设备
• 3.8 数据总线
• 3.8.1 HWDATA[31：0]
• 3.8.2 HRDATA[31：0]
• 3.9 AMBA AHB部件接口
• 3.9.1 AHB总线从属接口图
• 3.9.2 AHB总线主控接口图
• 3.9.3 AHB仲裁器接口图
• 3.9.4 AHB解码器接口图
• 3.10 AXI总线架构
• 3.11 AXI的接口和互连
• 3.12 AXI传输无序返回
• 3.13 小结
• 第四章 AMBA总线互连在复杂系统中的应用
• 4.1 AHB Lite的应用
• 4.2 Multi-layer AHB研究
• 4.3 高带宽要求的SoC系统中总线控制解决方案
• 4.3.1 家庭网络SoC平台环境对总线带宽的要求
• 4.3.2 传统总线仲裁方式的局限和解决方案
• 4.3.3 可编程仲裁方案在家庭网关中的应用
• 4.4 小结
• 第五章 AMBA总线部件设计
• 5.1 AMBA总线系统级设计
• 5.1.1 总线系统级设计
• 5.1.2 建模语言SystemC
• 5.1.3 AMBA总线模型的SystemC描述
• 5.2 AMBA部件逻辑的RTL级设计
• 5.2.1 IP核的开发流程
• 5.2.2 AMBA AHB仲裁器设计的VHDL描述
• 5.2.3 IP核设计软硬件协同开发环境
• 5.3 基于AMBA的IP设计
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 本文贡献
• 感谢
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