代码收藏家技术教程 2023-04-16

AMBA AHB总线协议详细说明（AHB5协议）

一、 AHB总线介绍

AHB总线用于性能要求较高的系统互连，比如内部memory、高带宽的外设、GMAC、eMMC/SD等，其仍然为分时独占式总线，也就是说一个时间点总线只会完成一个传输事件。下图是一个典型的AHB总线互连例子，图中Manager为总线的Master设备，Subordinate为总线的Slave设备。AHB总线互连逻辑包括一个地址译码器和一个多路选择器。地址译码器用于将Master发送的地址转换成合适的sel选择信号；多路选择器将各个Slave的输出数据合理的选择给Master。图中只画出了一个Master设备，实际上AHB总线支持多个Master对多个Slave结构。

目前最新AHB总线版本为AHB5和AHB-Lite，对于只有一个Master的总线，结构可以简化很多，因此可单独使用AHB-Lite协议。

二、AHB总线信号

按照上述概念可将AHB总线信号分类，如下表所示：

信号	方向	位宽	信号说明
全局信号
HCLK	时钟→总线	1	时钟，上升沿数据有效。
HRESETn	复位→总线	1	复位，低有效，该信号可直接和系统总线复位连接。
Master端信号
HADDR	Master→总线	max=64	AHB总线地址，最大64bits。
HBURST	Master→总线	max=3	用于规定Burst传输次数和地址递增方式。
HMASTLOCK	Master→总线	1	锁定Master传输，锁定期间传输无法被打断。
HPROT	Master→总线	0/4/7	保护控制信号，用于指示本次传输类型。
HSIZE	Master→总线	3	用于指示每次传输的数据大小。
HNONSEC	Master→总线	1	指示当前传输是否安全。
HEXCL	Master→总线	1	用于指示该传输是否为独占传输（Exclusive Access）。
HMASTER	Master→总线	max=8	用于指示当前是哪个Master发起了传输，每个Master有一个唯一的HMASTER ID。
HTRANS	Master→总线	2	用于指示传输类型，有四种类型：IDLE、BUSY、NONSEQUENTIAL、SEQUENTIAL，分别是空闲、忙、非连续传输、连续传输。
HWDATA	Master→总线	max=1024	写数据，最大位宽支持1024bits，建议在32bits – 256bits之间。
HWSTRB	Master→总线	max=128	写数据字节使能，位宽为HWDATA的位宽除以8。
HWRITE	Master→总线	1	读写指示信号，“1”为写，“0”为读。
Slave端信号
HRDATA	Slave→总线	max=1024	读数据，最大位宽支持1024bits，建议在32bits – 256bits之间。
HREADYOUT	Slave→总线	1	Slave端设备准备就绪信号，用法和APB的PREADY类似。
HRESP	Slave→总线	1	Slave端设备的应答信号，表明当前传输是否成功，“1”错误。
HEXOKAY	Slave→总线	1	表示独占传输（Exclusive Transfer）是否成功。
译码器信号
HSELx	总线→Slave	1	Slave设备选择信号，用法和APB的PSEL类似。当Slave被选中且为非IDLE传输时，HSELx必须和地址、控制信号同一拍有效。
多路选择器信号
HREADY	总线→Slave 总线→Master	1	该信号由总线内部产生，用于通知Master和Slave上次传输已经结束，总线已经准备就绪开始下一次传输。

HTRANS[1:0]

HTRANS[1:0]	类型	说明
00	IDLE	IDLE表示没有数据传输，Master使用IDLE来表示非数据传输，一般用IDLE传输终止一次locked传输。Slave必须立即响应Master发送的IDLE传输，并将OKAY应答送到HRESP上，传输内容Slave必须忽略。
01	BUSY	BUSY传输允许在Burst传输的中间插入空闲周期，以表示Master会继续burst但下一次传输不能立即发送。当Master使用BUSY传输时，下一次传输的地址和控制信号必须准备好。只有未定义长度的Burst可以在Burst结束的时候插入BUSY传输标志。Slave必须立即响应BUSY传输，并将传输内容忽略。
10	NONSEQ	NONSEQ用于指示一次Single传输，或一次burst传输的开始。地址和控制信号和前一次传输不同，会产生变化。
11	SEQ	Burst传输的剩余部分被标记为SEQ，表示连续传输，地址和控制信号和前一次保持一致。

HSIZE[2:0]

HSIZE[2:0]	类型	说明
000	Byte	8bits，传输一个字节。
001	Halfword	16bits，传输一个半字。
010	Word	32bits，传输一个字。
011	DoubleWord	64bits，传输两个字。
100	4 Words	128bits，传输四个字。
101	8 Words	256bits，传输八个字。
110	16 Words	512bits，传输十六个字。
111	32 Words	1024bits，传输三十二个字。

HSIZE用于表示单次数据传输的大小，其数值小于等于数据宽度，比如数据宽度是32bits，那么HSIZE只能是000/001/010三个数值。在Burst传输过程中，该数值必须保持不变。

HBURST[2:0]

HBURST[2:0]	类型	说明
000	SINGLE	单次传输
001	INCR	未定义长度的增量Burst传输
010	WRAP4	4拍回环Burst传输
011	INCR4	4拍增量Burst传输
100	WRAP8	8拍回环Burst传输
101	INCR8	8拍增量Burst传输
110	WRAP16	16拍回环Burst传输
111	INCR16	16拍增量Burst传输

由表中可以看出，传输可分成SINGLE、INCR和WRAP类型，每种又按照每次Burst节拍数分成不同情况。一拍为Burst传输的最小传输单位，具体理解在后续介绍。INCR burst的每次传输的地址是连续的，且每次传输的地址数值相较于上一次是递增的。WRAP burst在地址增加到地址边界时，地址会返回到最开始地址。地址边界根据拍数和传输大小计算，HBURST和HSIZE确定总传输数据量大小。例如，一个WRAP4传输4bytes数据，如果开始地址为0x34，那么4拍的数据地址为0x34、0x38、0x3C和0x30。

单次传输可以使用SINGLE标识，或使用未定义大小的INCR标识，一般使用SINGLE标识。

HPROT[3:0](AHB5以下版本，用于数据保护)

HPORT[3:0]	说明
[0]	0: Opcode fetch 1: Data access
[1]	0: User access 1: Privileged access
[2]	0: Non-bufferable 1: Bufferable
[3]	0: Non-cacheable 1: Cacheable

HPROT[6:0]( AHB5扩展内容，用于Memory，bit3不同于AHB5以下版本)

HPORT[6:0]	名称	说明
[0]	Data/Inst	0: Opcode fetch 1: Data access
[1]	Privileged	0: unprivileged access 1: Privileged access
[2]	Bufferable	如果[4:3]均无效的话，那么该bit位生效 0: Non-bufferable，写响应必须由最终的目的地址提供，而不是中间的buffer。 1: Bufferable，写响应可由中间经过的节点提供，但需要及时传递写传输到目的端。
[3]	Modifiable	0: 传输的数据不可纠正修改； 1: 传输的数据等可纠正修改；
[4]	Lookup	0: 传输不需要查找cache，且必须传递到目的端； 1: 传输必须查找cache；
[5]	Allocate	0: 传输不会分配到cache； 1: 传输分配到cache；
[6]	Shareable	0: 传输不可共享，访问的memory区域不能被其他Master访问，访问的应答不会确保被其他Master可见。Device类型的memory，该bit为0； 1: 传输可共享，访问的memory区域可以被其他Master访问。

对于Memory类型，可通过HPROT[6:2]判断memory类型，具体如下表所示：

HPROT[6]	HPROT[5]	HPROT[4]	HPROT[3]	HPROT[2]	Memory类型
0	0	0	0	0	Device-nE
0	0	0	0	1	Device-E
0	0	0	1	0	Normal Non-cacheable，non-shareable
0	0/1	1	1	0	Write-through, Non-shareable
0	0/1	1	1	1	Write-back, Non-shareable
1	0	0	1	0	Normal Non-cacheable, Sahreable
1	0/1	1	1	0	Write-through, Shareable
1	0/1	1	1	1	Write-back, Shareable

用户信号

信号	方向	说明
HAUSER	Master→总线	用户自定义，推荐宽度0-128bits
HWUSER	Master→总线	用户自定义，推荐宽度0-DATA_WIDTH/2
HRUSER	Slave→总线	用户自定义，推荐宽度0-DATA_WIDTH/2
HBUSER	Slave→总线	用户自定义，推荐宽度0-16bits

该组信号为用户自定义信号，具体传输内容和含义需要用户自己决定，一般不建议使用该组信号。AHB协议不定义这些信号的功能，因此，在多个拥有用户自定义信号的系统中，可能会带来信号不兼容的问题。

三、AHB总线传输

AHB传输分成两个阶段：地址阶段和数据阶段。地址阶段HWRITE、HADDR等控制信号同一拍有效，随后HREADY拉高表示当前地址已生效。数据阶段HWDATA、HRDATA等和数据相关的信号有效，表示数据读写的开始，数据阶段可能会跨多个HCLK时钟周期，根据传输数据量大小而定。

下图是AHB总线的单次读写传输，包括立即读写和等待读写传输，由于和APB总线类似，具体说明可参考APB总线。

注意地址阶段和数据阶段是可以pipeline的，如果有多次连续传输，但地址不同，可以采用如下图所示的时序完成。在A的数据阶段，可以启动下一次传输的B的地址阶段。

3.1 Burst传输

上图是Burst传输举例，各个时钟周期的动作如下：

T1时刻发起4拍读Burst传输，地址等控制信号送入总线；

T2时刻Master未能主板好第2拍burst，插入BUSY标志delay burst传输；

T3时刻Master发出第2拍burst，SEQ标志跟在BUSY后面，Slave忽略T3的数据；

T4时刻Master发出第3拍burst，过程和T3相同；

T5时刻Master发出最后一拍burst，过程和T3相同，Slave端HREADY拉低，T4时刻的读数据返回delay；

T6时刻Slave端的HREADY拉高有效，HRDATA返回T4时刻请求；

T7时刻Slave端的HREADY拉高有效，HRDATA返回T5时刻请求；

下图是WRAP4 Burst传输的一个例子，注意地址在0x3c后回环到0x30。

下图是INCR4 Burst传输的一个例子，地址一直增加到0x34。

下图是WRAP8 Burst传输的一个例子，注意在0x3C之后地址回环到0x20。

下图是INCR8 Burst传输，地址一直增加到0x42。

下图是INCR Burst传输，包含两次Burst传输，一次2拍，一次3拍。

3.2 Lock传输

Lock传输由Master通过HMASTLOCK信号发送给总线，用于表明当前的传输不可分割和打断，必须在此次传输完成后才能启动另一次传输。一个典型的Lock传输例子是用来维护处理器发出的SWP指令，保证读写操作之间有个完整的操作，如下图所示：

Lock传输完成后，建议Master发送一次IDLE传输，允许在Lock传输的开始、中间和结束时插入IDLE传输。目前大部分的Slave并不能处理HMASTER信号，如果Slave可以被多个Master访问，则必须要求Slave处理HMASTER信号。例如，一个多端口的memory控制器（MPMC），则必须正确识别Master发送来的HMASTER请求。

不推荐HMASTER和IDLE同时有效，但这样做也并不会产生错误。同样不推荐Master Lock一串IDLE传输，或在Lock传输结束后不插入IDLE，这会影响总线仲裁。

Lock传输中的每一拍，均要求保持相同的Slave地址，但AHB总线不会检查是否保持一致，需要添加额外的验证模块来确保上述要求。

3.3 Waited传输

Slave使用HREADYOUT信号插入wait状态，要求更多的准备时间来处理数据。在等待期间，Master必须严格控制传输状态的改变，包括传输类型和地址。

3.3.1 传输类型改变

当Slave在wait状态时，传输类型只有在以下几种情况下可以改变，其他情况必须保持不变，这几种情况为：IDLE、固定长度Burst时的BUSY、未定义长度Burst是的BUSY。

wait状态下的IDLE传输，Master允许IDLE传输到NONSEQ传输类型改变，当HTRANS改变成NONSEQ，Master必须保持NONSEQ不变，直到HREADY拉高。

上图是Master端的IDLE传输时序，各个时钟周期的动作如下：

T1时刻，Master发起SINGLE Burst，访问地址A；

T2时刻，Slave HREADY拉低表示尚未就绪，同时Master插入IDLE传输，地址为Y；

T3时刻，Master继续插入IDLE传输，地址为Z；

T4时刻，Master改变传输类型为NONSEQ，发起INCR4 burst传输，地址为B；

T5时刻，HREADY仍为低，Master保持HTRANS不变；

T6时刻，HREADY拉高，SINGLE Burst到地址A的传输结束，数据A返回Master，同时发送地址B的第一拍；

T7时刻，INCR4的第二拍发送，第一拍数据B返回。

wait状态下的固定长度Burst传输，Master允许由BUSY到SEQ传输类型改变，当HTRANS传输类型改变为SEQ时，Master必须保持HTRANS不变，直到HREADY拉高。

上图是Master端的BUSY到SEQ切换传输时序，各个时钟周期的动作如下：

T1时刻，Master发起下一拍INCR4 burst，访问地址0x24；

T2、T3时刻，Slave HREADY拉低表示尚未就绪，Master插入一次BUSY传输；

T4时刻，Master将传输类型切换为SEQ，并发起下一拍Burst，地址为0x28；

T5时刻，由于HREADY依旧拉低，Master必须保持SEQ传输不变；

T6时刻，HREADY拉高，0x24的请求数据返回；

T7时刻，Master发送下一拍Burst，同时0x28的请求数据返回。

wait状态下的未定义长度Burst传输，Master允许在HREADY为低时，由BUSY状态到任一状态改变。如果BUSY后面切换到SEQ，则表示Burst继续，如果后面切换到IDLE或NONSEQ，则表示Burst终止。

上图是Master端的BUSY到NONSEQ传输时序，各个时钟周期的动作如下：

T1时刻，Master发起下一拍INCR burst，访问地址0x64；

T2、T3时刻，Slave HREADY拉低表示尚未就绪，Master插入BUSY传输；

T4时刻，Master将传输类型切换为NONSEQ，并发起一次新的INCR4 Burst，地址为0x10；

T5时刻，由于HREADY依旧拉低，Master必须保持NONSEQ传输不变；

T6时刻，HREADY拉高，0x64的请求数据返回，INCR传输结束；

T7时刻，0x10请求数据返回，INCR4第二拍请求发送。

3.3.2 地址改变

当Slave在wait状态时，Master只能在下面两种情况下改变地址，其他情况必须保持不变，这两种情况为：IDLE传输、错误应答。IDLE传输可参考传输类型改变时的例子，地址从A到Y到Z改变，参考下图。这里重点说下错误应答后的地址变化，如果Slave产出的ERROR应答，那么Master允许改变地址。

上图是一个wait状态下的错误应答时序，各个时钟周期的动作如下：

T1时刻，Master发起下一拍INCR burst，访问地址0x24；

T2、T3时刻，Slave HREADY拉低表示尚未就绪，但HRESP应答为OKAY，Master发起下一拍INCR4 burst，访问地址为0x28；

T4时刻，Slave发送ERROR错误应答，表示0x24请求出现错误；

T5时刻，Master接收ERROR应答，并将INCR4终止，切换到IDLE传输，Slave HEADY拉高有效，HRESP应答ERROR，表示0x28请求出现错误；

T6时刻，Slave HRESP应答OKAY，表示IDLE传输OKAY。

四、EBT(Early Burst Termination)

Burst传输的中间可以插入BUSY传输，表示Master需要更多的时间准备下一次burst传输。对于INCR传输，Master可以在插入BUSY传输后，决定是否继续Burst传输，还是终止此次Burst传输。在这种情况下，可以接收Master发送一个NONSEQ或IDLE传输来有效的终止未定义长度的Burst传输。对于固定长度的Burst传输，不允许插入BUSY传输后立即终止Burst，必须是SEQ传输来终止Burst。

但是，在一些特殊情况下，Burst也会被终止，这些特殊情况为：Slave错误应答和多层AHB互连终止。这种非正常Burst终止，称为EBT。