1. 概述
AMBA架构的SoC，一般包括用于high-performance的system bus-AHB与low-power的peripheral bus-APB。System bus负责core与DMA controller、on-chip memory以及其他interface或需要high bandwidth的元件。而peripheral bus则用于连接off-chip外设，其协议相比AHB较为简单，与AHB之间通过Brigde相连。典型AMBA架构如图1.1：
图1.1
2. AHB简介
AHB（Advanced High-Performance Bus）用作on-chip system bus，其主要特性包括：
- 单时钟沿触发
- 非三态（无高阻态）
- burst传输
- split事务
- 支持多master
2.1 Overview
AHB System是由Master、Slave以及Infrastructure三部分组成。所有transfer都由master发出，由slave负责回应。而infrastructure则是由arbiter、master to slave multiplexor、slave to master multiplexor、decoder、dummy slave以及dummy master所组成。
NOTE：AHB2相比后续的AHB3_lite以及AHB5保留了arbiter并支持split、retry传输。
AHB的arbiter主要用于仲裁多路master。decoder则负责地址解码，并且包含HSELx信号用来选择要回应传输的slave。而两个多路选择器负责bus的传输路线，如下图2.1。
图 2.1
bus信号可以分为clock、arbitration、address、control、write data、read data以及reasponse七种。除了clock和arbitration信号外，其他信号均会经过多路选择器。
下表为AHB信号及其用途：
| Name | Source | Description |
| HCLK | Clock | 总线时钟 |
| HRESETn | Reset controller | 低复位 |
| HADDR[31:0] | Master | 32位地址总线 |
| HTRANS[1:0] | Master | 传输类型：IDLE、BUSY、NONSEQ、SEQ |
| HWRITE | Master | 高写低读 |
| HSIZE[2:0] | Master | 传输size可配 |
| HBURST[2:0] | Master | 突发类型：SINGLE、INCR、INCR4、INCR8、INCR16、WRAP4、WRAP8、WRAP16 |
| HPORT[3:0] | Master | 提供总线访问的附加信息，给那些需要执行某种保护级别的模块使用。 |
| HWDATA[31:0] | Master | 写数据 |
| HSELx | Decoder | 每个AHB slave都有独立的HSELx信号用来表示当前传输是否打算传给选中的slave |
| HRDATA[31:0] | Slave | 读数据 |
| HREADY | Slave | 高传输有效，低传输扩展 |
| HRESP[1:0] | Slave | 传输响应信号：OKEY、ERROR、RETRY以及SPLIT |
| HBUSREQx | Master | bus请求：向arbiter发出请求控制总线的信号 |
| HLOCKx | Master | 向arbiter提示正执行不可分割的传输 |
| HGRANTx | Arbiter | bus授予：表示主机x目前是优先级最高的主机 |
| HMASTER[3:0] | Arbiter | 主机id标识 |
|
HMASTERLOCK |
Arbiter | 向slave发出：锁定当前传输队列 |
| HSPLITx[15:0] | Slave | slave向arbiter指示哪个master可以完成剩余的split传输 |
图 2.2
上图2.2展现了AHB大致的互连情况，其中省略的部分有：
- 各种control信号（HBURST，HTRANS等）的连接，其连线与HADDR一致。
- Master与Arbiter之间的Request/Grant信号。
- Decoder与各个slave之间的selection信号
- control mux的输出有部分control信号会接到Arbiter（HTRANS/HBURST）。
- Response信号（HREADY、HRESP）的mux
- Arbiter会输出HMASTER信号接到master-to-slave 多路选择器，用作selection信号。
2.2 AHB传输
2.2.1 传输概括
- Master可以在任何周期向Arbiter发送HBUSREQ请求信号，master在传输开始前必须被HGRANT授予访问bus；
- 被授予访问bus的master驱动addr、control信号开始发起一次传输；
- 写数据通道HWDATA同来将数据从master传输至slave，读数据HRDATA用来将数据从slave返回至master；
- 一次传输包括：一个addr和control周期以及一个或多个data周期；
- 传输过程中slave通过HRESP返回状态：OKAY、ERROR、RETRY和SPLIT。
2.2.2 基本传输
一次完成的传输可分为两个相位：地址相位和数据相位。地址相位传输地址和control信号，而数据相位传输读写数据和response信号，下图 2.3表示一次AHB的基础传输：
图 2.3
若slave无法再单周期内处理完读写数据，可通过拉低并延长HREADY信号来对数据进行反压，当其拉高时，表示当前传输结束，过程如下图 2.4，结束状态由slave返回HRESP信号（OKAY、ERROR等）。
图 2.4
由于pipeline的存在导致连续传输时的phase会产生overlap（前次传输的datap hase与下次传输的address phase产生overlap），因此前次传输的data phase被延长时，下次传输的address phase也得跟着延长，如下图 2.5所示。
图 2.5
2.3 Control信号
AHB上的control信号共有五类，分别为
- HTRANS[1:0]：传输类型
- HBURST[2:0]：Burst类型
- HPORT[3:0]：protection信号
- HSIZE[2:0]：传输size
- HWRITE：传输方向
2.3.1 Transfer Type
AHB四种传输类型：
- IDLE：此时master不进行传输，而此时slave需在data phase回应OKAY。
- BUSY：在进行burst传输时，master若未准备好传输资料，则发出BUSY通知slave，同样的，slave回应OKAY。
- NONSEQ（Non-sequential）：当前传输的address和control信号和上一笔传输无关（换句话说，就是一次burst传输的第一笔传输或者一次single传输）。
- SEQ（Sequential）：当前传输的address和control信号和上一笔传输相同（也就是一次burst传输的非第一笔传输）。
下图 2.6为一次传输的实例，从时序图中可以观察到
T1-T2：开始一次burst传输，
T2-T3：Master无法立刻执行第二笔传输，HTRANS发出一拍BUSY，slave返回一个OKAY；
T3-T4：Master进行第二笔传输；
T4-T5：Master进行第三笔传输；
T5-T6：Slave拉低HREADY表示对第三笔传输不能立刻响应，因此反压master，此时第四笔传输的address和control信号保持在地址路径中，第三笔的写数据保持在写数据通道中，第三笔的读数据不响应；
T6-T7：Slave拉高HREADY并响应第三笔传输；
T7-T8：Burst传输结束，slave响应第四笔传输。
图 2.6
2.3.2 Burst type
Burst传输是用来让AHB master发出address彼此相关的连续传输（control信号需相同）。burst传输的长度（传输的个数，beat），具体有八种，如下表：
| HBURST[2:0] | 类型 | 描述 |
| 000 | SINGLE | 单次传输 |
| 001 | INCR | 未指定长度的增量burst |
| 010 | WRAP4 | 4拍回环burst |
| 011 | INCR4 | 4拍增量burst |
| 100 | WRAP8 | 8拍回环burst |
| 101 | INCR8 | 8拍增量burst |
| 110 | WRAP16 | 16拍回环burst |
| 111 | INCR16 | 16拍增量burst |
其中，增量（incrementing）burst中，每一笔的传输address是上一笔传输的address加上传输size。而回环（wrapping）burst则是将memory切割成了（传输size*传输beat）大小的一个个memory边界，当传输address要跨过边界时，下一笔传输address会绕回到边界起点。例如，一次WRAP4且传输size为word（4 byte），那么自动将memory按照（4*4 byte）的边界进行划分，传输起始address若为0x34，则后三笔分别为0x38、0x3C以及回环到0x30（保证所有burst数据连续分布在一个回环块中），下图 2.7和图 2.8分别是WRAP4和INCR4的word size传输。
图 2.7
图 2.8
NOTE：
①INCR busrt可以是任意长度，但上限地址不可超过1 KB边界；
②所有burst传输必须将地址边界和传输size对齐。例如：word传输必须对齐word地址边界（即A[1:0]=00），half word传输对齐到half word边界（即A[0]=0）。
2.3.3 Transfer Direction
HWRITE拉高时，master在data phase将数据放在write data bus HWDATA[31:0]中，待下个clk有效沿让slave去sample data。HWRITE拉低时，slave会在data phase将数据放在read data bus HRDATA[31:0]，待下个有效沿让master去sample data。
2.3.4 Transfer Size
传输size具体如下表：
| HSIZE[2:0] | Size | 描述 |
| 000 | 8 bits | 字节 |
| 001 | 16 bits | 半字 |
| 010 | 32 bits | 字 |
| ... | ... | ... |
2.3.5 Protection Control
HPROT[3:0]为master提供额外的protection information来表明当前传输是否是某些特定传输，具体如下表：
|
HPROT[3] cacheable |
HPROT[2] bufferable |
HPROT[1] privileged |
HPROT[0] data/opcode |
Description |
| - | - | - | 0 | Opcode fetch |
| - | - | - | 1 | Data access |
| - | - | 0 | - | User access |
| - | - | 1 | - | Privileged access |
| - | 0 | - | - | Not bufferable |
| - | 1 | - | - | Bufferable |
| 0 | - | - | - | Not cacheable |
| 1 | - | - | - | Cacheable |
2.4 Slave Response
在AHB协议中，slave除了可以用HREADY来延长等待周期，还可以使用HRESP[1:0]表示传输结束的状态。master发起传输后，只要slave被访问，那么就必须提供一个传输的response，该HRESP[1:0]具体如下表：
| HRESP[1:0] | 响应 | 描述 |
| 00 | OKAY | HREADY为高表示传输完成；HREADY为低时，OKAY响应用来扩展传输； |
| 00 | ERROR | 该响应代表发生了一个错误，ERROR响应需要双周期； |
| 01 | RETRY | 该响应表示传输未完成，master被授予访问bus时应当重新传输，RETRY响应需要双周期； |
| 01 | SPLIT | 该响应表示传输未完成，master应当在下一次被授予访问bus时继续传输，RETRY响应需要双周期； |
NOTE：
①仅OKAY响应在单周期给出，其他均为双周期；
之所以需要双周期，主要是由于AHB是pipeline的，相位间存在overlap，为了不影响下一次传输必须cancel下次传输，因此使用双周期对当前传输的数据挂起，对下笔传输的数据进行cancel；若是单周期的话，第A次传输收到RETRY的同时，第A+1次传输开始了，而此时的slave还在处理第A次传输，这样下去第A+1次以后的传输可能也都无法完成。
②对于RETRY和SPLIT：这两种状态均表示slave判断当前传输需要花费很多bus周期来完成，需要持续lock bus较长时间，为了避免对后续的传输产生影响，通过返回这两种状态进行bus所有权的重新分配，而两种状态的具体区别为：
* RETRY：返回后由arbiter重新对当前所有bus request的master进行优先级仲裁（包括返回RETRY的master）；
* SPLIT：返回后由arbiter重新进行优先级仲裁（不包括返回SPLIT的master，因为此时该master的优先级被mask了，直到slave主动返回HSPLIT信 号给arbiter，由arbiter将对应的master优先级进行unmask后，待重新仲裁后根据优先级授予bus），若没有其他master进行bus request，则将bus access权移交给 dummy master进行IDLE传输。
从上述表述可以看出SPLIT相比RETRY可以在优先级重新仲裁时让较低优先级的master占据bus，但实现这种功能意味着更加复杂的硬件，首先arbiter需要观察HRESP信号（两种状态都需要），当收到SPLIT时，arbiter需要将对应的master的优先权mask（即更改优先权设计）；slave同时需要记住返回master的id用于通知arbiter进行unmask，这个master的id可以从arbiter向slave发出的HMASTER信号查到，这个HMASTER是4 bit对应16个masters，而slave通知arbiter unmask的HSPILT信号是one-hot的16 bit。
③双周期响应：如下图 2.9所示
若slave需要两个以上的周期去响应ERROR、RETRY和SPLIT时，额外的等待周期HREADY为低同时HRESP响应为OKAY；
双周期响应的第一拍，HRESP响应ERROR、RETRY和SPLIT，同时HREADY为低，响应的第二拍HRESP继续保持，HREADY置高结束传输；
对于SPLIT、RETRY响应接下来的传输必须取消并且在下一次传输开始前驱动HTRANS为IDLE；对于ERROR响应，master可以继续完成接下来的 传输。
图 2.9
2.5 Address Decoding
Address decoder提供HSELx给每个slave，这个decoder负责地址的简单译码（纯组合逻辑电路）；HSELx拉高代表对应slave被选中，具体连接关系如下图 2.10。
图 2.10
NOTE：分配给单slave的最小地址空间为1 KB，因此master必须保证burst不能超过1 KB地址边界。
2.6 Aribitration
2.6.1 Bus的请求和授予（HBUSREQx and HGRANTx）
AHB只允许同一时间一个master获得bus access，因此多个master进行bus request时，在有效沿到来时，arbiter对所有request的master进行sample（通过每个master的HBUSREQx），仲裁算法有设计者自定义，arbiter将对应的master的HGRANTx信号拉高授予bus access，当HREADY也有效时（握手成功），master驱动address到地址bus上并在下个clk有效沿被slave所sample（进入data phase），具体如下图 2.11。
若传输为固定长度的burst，master在被授予bus access后可以不用继续request，待传输完成后重新request；若传输为不定长度的burst，master在被授予bus access后需要继续request bus，直到完成最后一笔传输。
图 2.11
2.6.2 Bus handover
当arbiter向master assert了HGRANTx后，且HREADY为高，则slave在下个时钟沿进行sample；若HREADY信号一直拉低，则HGRANTx会一直保持等待与HREADY握手。若此时arbiter被更高优先级的master进行request，arbiter会更改HGRANTx信号，而bus access也会handover到新的bus上。
下图 2.12主要介绍了在bus handover时，master之间对address bus和data bus的控制以及延迟关系。
NOTE：当arbiter决定在burst结束后，进行bus handover时，arbiter会在倒数第二个传输的address被sample后，改变HGRANTx，所以新的HGRANTx将在最后一个传输的address一起被sample。
图 2.12
2.6.3 锁定传输HLOCKx
当master正进行固定长度的burst传输时，若出现更高优先级master的bus request，arbiter可以等待前一个burst传输完成后再进行bus handover；当然也可以直接中断前一个burst传输并bus handover到更高优先级的master，此时被中断的master需要重新bus request等待下次grant继续完成burst。
每个master的HLOCKx用来锁定当前传输不可被中断，master在向arbiter进行bus request时，同时拉高HLOCKx（保持address在发送前至少一个周期），锁定传输不在将bus release给其他master，直到master拉低HLOCKx。
Aribiter也会向slave assert HMASTLOCK信号，HMASTERLOCK信号与address和control信号时序相同，用于向slave指示当前为锁定传输。
2.6.4 Burst的提前终止
通常Arbiter在一个burst传输没有结束前不会改变bus授予，但协议中允许arbiter提前终止burst传输防止bus被占用时间过长；
如果master在burst传输中失去bus access，它必须重新进行bus request，并在获得bus access后继续发送剩余的传输（例如8 beat传输的3 beat完成后中断，再次获得bus access后必须以合法burst类型完成剩余的5笔，比如不定传输5 beat的INCR或在1 beat的SINGLE传输后接4 beat的INCR 4传输）。
2.7 AHB协议其他说明
- 对于定长的burst传输，协议禁止以BUSY类型结束传输；
- 对于不定长的burst传输，协议允许以BUSY类型结束传输；
- 在burst的等待状态传输过程中，master允许传输类型由BUSY变为SEQ。且更改为SEQ时，master必须保持HTRANSx不变，直到HREADY为高，如下图 2.13。
图 2.13
- 系统中存在default master和dummy master，当没有master进行bus request时，arbiter会默认将bus access给default master（有HBUSREx信号且此时master的HTRANS发出IDLE），default master通常是bus request频率较高的master，这种机制可以减少其request的bus handover的周期；
- 而dummy master非正常的master（没有接向arbiter的HBUSREQx信号），它被arbiter grant bus的情况有两种，一是所有master都收到slave的SPLIT响应而无法request bus时，二是当有master进行锁定传输时，且slave返回SPLIT（锁定传输规定当前burst无法被中断，而SPLIT使当前传输无法继续选中，产生冲突），此时bus access会给dummy master（只能被动接受），并且不断发送IDLE状态。
- Slave返回SPLIT后，对应的master不可再进行bus request access其他slave；而其他master可以access此slave，slave会记录后续access的master id并持续返回SPLIT，待当前传输完成后依次拉高之前记录的master对应的HSPLIT信号，待下个ckl有效沿来临时，sample address和control信号。
NOTE：
AHB系统有16个master，因此slave需要准备16组register去存储master id；
如果当slave处理SPLIT传输时，有master进行锁定传输到该slave，此时slave需要有限处理锁定传输（甚至要中断之前正在处理的传输），以免造 成整个bus被锁定传输给锁死。
- Slave返回RETRY后，在完成当前传输前不能被其他不同的master给access（通过软件层次预防）。
- 为了避免slave使用HREADY延长传输周期太长将bus锁死，协议规定每个slave需预设好最长的等待周期（建议16个周期）。