AMBA-APB

目录

1.APB 协议

2.APB信号列表

3.数据传输

3.1写传输（2种）

3.1.1 无等待状态的写传输

3.1.2有等待状态的写传输

3.2写选通信号 (PSTRB)

字节通道映射

3.3读传输（2种）

3.3.1 无等待状态的读传输

3.3.2有等待状态的读传输

时序说明

3.4错误响应

3.4.1 写传输

3.4.2读传输

4.信号有效性

说明:

1.APB 协议

        APB（高级外设总线）协议是一种低成本接口，针对最低功耗和接口复杂性最小化进行了优化。APB 的接口不是流水线化的（一次数据传输必须完全完成后，才能启动下一次数据传输。换句话说，APB的操作是逐步完成的，没有重叠或并行的传输阶段），它是一个简单的同步协议。每次传输至少需要两个时钟周期完成。

        APB 的接口专为访问外设设备的可编程控制寄存器而设计，外设通常通过 APB 桥接到主内存系统。例如，可以使用从 AXI 到 APB 的桥接器将多个 APB 外设连接到 AXI 内存系统中。APB 传输由 APB 桥发起。APB 桥也称为请求方（Requester）。外设接口响应传输请求，外设也被称为完成方（Completer）。

2.APB信号列表

信号名称来源宽度描述
PCLK时钟源1 位时钟信号，所有 APB 信号与 PCLK 的上升沿同步。
PRESETn系统总线复位信号1 位复位信号，低电平有效，通常直接连接到系统总线复位信号。
PADDR请求方 (Requester)ADDR_WIDTH (≤32 位)地址总线，用于表示字节地址，必须保持稳定直到传输完成。
PENABLE请求方 (Requester)1 位使能信号，指示 APB 传输的第二个周期或后续周期。
PWDATA请求方 (Requester)DATA_WIDTH写数据总线，传输写入完成方的数据，可为 8 位、16 位或 32 位。
PRDATA完成方 (Completer)DATA_WIDTH读数据总线，完成方在读周期传输数据，可为 8 位、16 位或 32 位。
PSELx请求方 (Requester)1 位选择信号，用于选择对应的完成方 (Completer)，指示数据传输需要访问该外设。
PWRITE请求方 (Requester)1 位方向信号，高电平表示写操作，低电平表示读操作。
PREADY完成方 (Completer)1 位准备就绪信号，完成方可延长传输，用于指示当前传输是否可以完成。
PSLVERR完成方 (Completer)1 位（可选）错误信号，高电平表示传输发生错误。
PSTRB请求方 (Requester)DATA_WIDTH / 8写选通信号，指示写传输中哪些字节有效。
PPROT请求方 (Requester)3 位保护类型，包括普通、特权、安全访问和数据/指令访问类型。
PNSE请求方 (Requester)1 位保护类型的扩展信号，支持领域管理扩展 (RME)。
PWAKEUP请求方 (Requester)1 位唤醒信号，指示 APB 接口的活动。
PAUSER请求方 (Requester)USER_REQ_WIDTH用户请求属性信号，最大宽度建议为 128 位。
PWUSER请求方 (Requester)USER_DATA_WIDTH用户写数据属性信号，最大宽度建议为 DATA_WIDTH / 2。
PRUSER完成方 (Completer)USER_DATA_WIDTH用户读数据属性信号，最大宽度建议为 DATA_WIDTH / 2。
PBUSER完成方 (Completer)USER_RESP_WIDTH用户响应属性信号，最大宽度建议为 16 位。

        APB 协议具有两个独立的数据总线：用于读取数据的 PRDATA和用于写入数据的 PWDATA。这些总线的宽度可以是 8 位、16 位或 32 位。读取数据总线和写入数据总线的宽度必须相同。

        由于读取数据和写入数据总线没有各自独立的握手信号，数据传输无法同时进行，即不能并发传输。APB 使用非流水线的两阶段传输，包括 设置阶段 (Setup Phase) 和 访问阶段 (Access Phase)。

        APB 接口具有单一的地址总线 PADDR，用于读和写的传输。PADDR表示字节地址， 可以与数据宽度不对齐，但其结果是不可预测的。例如，响应方（Completer）可能会使用未对齐的地址、对齐的地址，或者发出错误响应信号。

3.数据传输

所有显示的信号都在 PCLK 上升沿采样

3.1写传输（2种）

  • 无等待状态的写传输
  • 有等待状态的写传输
3.1.1 无等待状态的写传输

传输阶段描述：

  1. 设置阶段（Setup phase）：

    • 在 T1 时刻开始设置阶段，选择信号 PSEL 被置为有效。
    • 此时，PADDR（地址）、PWRITE（写方向）以及 PWDATA（写数据）必须有效。

  2. 访问阶段（Access phase）：

    • 在 T2 时刻，PENABLE 信号被置为有效，进入访问阶段。
    • 在 PCLK 的上升沿，PREADY 由响应方（Completer）置为有效，表示写数据将在 T3 时刻被接收。
    • 在整个传输完成之前，PADDR、PWDATA 以及任何其他控制信号都必须保持稳定。

  3. 传输结束：

    • 传输完成后，PENABLE 信号被释放（无效）。
    • 如果没有向同一外设进行另一轮传输，PSEL 信号也会被释放（无效）。
3.1.2有等待状态的写传输

访问阶段中的延长： 通过控制 PREADY 信号来延长传输时间。

  • 当 PENABLE 信号为高电平（有效）时，响应方可以通过将 PREADY 驱动为低电平（无效）来延长传输时间。

延长期间保持不变的信号：

在 PREADY 信号保持低电平的期间，下列信号保持不变：

  • 地址信号（PADDR）
  • 方向信号（PWRITE）
  • 选择信号（PSELx）
  • 使能信号（PENABLE）
  • 写数据信号（PWDATA）
  • 写选通信号（PSTRB）
  • 保护类型信号（PPROT）
  • 用户请求属性信号（PAUSER）
  • 用户写入数据属性信号（PWUSER）

PREADY 的状态规则：

  • 当 PENABLE 为低电平时，PREADY 信号可以取任意值。
  • 这保证了那些固定两周期访问的外设可以将 PREADY 信号直接连接为高电平。

3.2写选通信号 (PSTRB)

        PSTRB 信号用于在写数据总线上启用稀疏数据传输。每个 PSTRB 对应写数据总线的 1 个字节。当 PSTRB 被拉高时，它表示相应的字节通道包含有效数据。

字节通道映射

  • 每 8 位的写数据总线上有一个写选通信号，因此 PSTRB[n] 对应于 PWDATA[(8n + 7):(8n)]。
  • 图 3-3 显示了在 32 位数据总线上的这种关系。

对于读取传输，发起者（Requester）必须将所有的 PSTRB 信号拉低。

        PSTRB 信号的存在与兼容性： PSTRB 是一个可选信号，一个 APB 外设可能只支持一部分访问类型，具体支持的访问类型需要在文档中说明，这意味着如果文档声明不支持稀疏写入（sparse writes），则所有 PSTRB 信号的组合可能是兼容的。

3.3读传输（2种）

  • 无等待状态
  • 有等待状态

所有信号都在 PCLK 的上升沿进行采样

3.3.1 无等待状态的读传输

无等待状态的读取传输时序

  • 地址信号 PADDR、写入信号 PWRITE、选择信号 PSEL、使能信号 PENABLE 的时序与写传输部分中描述的相同。
  • 对于读取传输，响应方（Completer）必须在读取传输结束前提供数据。

时序说明：在无等待状态的读取传输中，数据必须立即响应，不存在额外的延迟等待状态。

3.3.2有等待状态的读传输

图 3-5 展示了 PREADY 信号如何扩展传输。

有等待状态的读取传输时序

  • 在访问阶段，如果 PREADY 被拉低，传输将被延长。
  • 在 PREADY 保持为低电平期间，以下信号保持不变：
    • 地址信号 PADDR
    • 方向信号 PWRITE
    • 选择信号 PSEL
    • 使能信号 PENABLE
    • 保护信号 PPROT
    • 用户信号 PAUSER
​​时序说明
  • 如图 3-5 所示，在有等待状态的读取传输中，PREADY 可以增加两个周期。然而，实际上可以增加任意数量的附加周期，从零个周期开始。

这意味着在等待状态期间，数据传输可以根据外部设备的响应时间灵活调整，直到传输完成。

3.4错误响应

        PSLVERR 可以用于指示 APB 传输中的错误条件，错误条件可能发生在读或写传输中。
        PSLVERR 仅在 APB 传输的最后一个周期有效，即当 PSEL、PENABLE 和 PREADY 都为高电平时。建议当 PSEL、PENABLE 或 PREADY 为低电平时，PSLVERR 被驱动为低电平。

        发生错误的传输可能会或不会改变外围设备的状态，这取决于具体的外围设备设计。当写传输发生错误时，这并不意味着外围设备中的寄存器没有被更新。当读传输发生错误时，可能会返回无效数据。外围设备没有要求在读错误时将数据总线驱动为全零，请求者接收到读传输的错误响应后，仍然可能使用返回的数据，完成者不能依赖错误响应来阻止读取 PRDATA 上的值。

        完成者不需要支持 PSLVERR。如果完成者不支持 PSLVERR，则适当的输入会被连接为低电平。

3.4.1 写传输

 图 3-6 显示了一个写传输失败并以错误完成的示例

3.4.2读传输

读传输也可以以错误响应完成，表明没有有效的读数据可用。

 3-7 显示了一个读传输以错误响应完成的示例

PSLVERR的映射

当进行桥接时：

  • 从AXI到APB：APB上的PSLVERR错误会映射回AXI的RRRESP（读响应）和BRESP（写响应）。
  • 从AHB到APB：APB上的PSLVERR错误会映射回AHB的HRESP（读写响应）。

        这说明了当APB总线发生错误时，PSLVERR信号会通过桥接机制映射到其他总线（如AXI或AHB）的相应错误响应信号。

4.信号有效性

以下是信号有效性要求

信号始终有效当 PSEL 被激活时必须有效当 PSEL 和 PENABLE 被激活时必须有效当 PSEL、PENABLE 和 PREADY 被激活时必须有效说明
PSEL✓选择信号，指示外设被选中进行操作
PWAKEUP✓唤醒信号，可能用于低功耗管理
PADDR✓地址
PENABLE✓指示当前周期是事务的有效部分
PWRITE✓事务是写操作（1）还是读操作（0）
PREADY✓目标是否准备好完成事务的信号
PWDATA✓写数据，在有效的写数据线上传输，仅在写操作时有效
PRDATA✓读数据，仅在读操作时有效
PSLVERR✓从设备错误信号，表示事务发生错误
PPROT✓保护信号，指示访问类型（如读/写、用户/特权模式）
PNSE✓非安全标志，可能指示事务是否为非安全模式
PAUSER✓暂停或停顿请求信号
PSTRB✓字节使能信号，指示数据的哪些字节有效
PWUSER✓用户定义信号，仅在写操作时有效
PRUSER✓用户定义信号，仅在读操作时有效
PBUSER✓用户定义信号，可能用于附加信息传输
说明:
  • 始终有效: 表示该信号在任何时刻都必须有效。
  • 当 PSEL 被激活时有效: 表示该信号在 PSEL 被激活时必须有效。
  • 当 PSEL 和 PENABLE 被激活时有效: 表示该信号在 PSEL 和 PENABLE 都被激活时必须有效。
  • 当 PSEL、PENABLE 和 PREADY 被激活时有效: 表示该信号在 PSEL、PENABLE 和 PREADY 都被激活时必须有效。

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