聊聊AMBA協議的evolution過程

作為一名新時代的ICer，一定必定肯定聽說過AMBA協議，但是卻少有人知道AMBA協議的evolution過程，本文將大致聊聊Evolution of the ARM AMBA Specifications！

高級微控制器總線架構（AMBA）總線協議是ARM的一組互連規范，用于標準化各種功能模塊（或IP）之間的片上通信機制，以構建高性能SOC設計。這些設計通常將一個或多個微控制器或微處理器以及其他幾個組件（內部存儲器或外部存儲器橋接器、DSP、DMA、加速器和各種其他外設（如PCIE、USB、UART、I2C等）集成在單個芯片上。AMBA協議的主要目的是建立一種標準且有效的方法來互連這些模塊，并在多個設計中重復使用。

學習AMBA協議的第一步是了解這些協議的確切使用場景，這些協議是如何演變的，以及它們如何適用于SOC設計。下圖（參考AMBA 2規范）說明了基于AMBA的傳統SOC設計，該設計使用AHB或ASB協議進行高帶寬互連，并使用APB協議進行低帶寬外設互連。

隨著越來越多的功能模塊集成到SOC設計中，共享總線協議AHB/ASB很快就開始受到限制。

2003年，新修訂版AMBA 3引入了點對點連接協議——AXI 3。2010年，又推出了增強版——AXI 4。如下圖，可以看出協議的演變以及業界SOC設計趨勢。

下圖則說明了如何使用AXI互連來構建具有各種功能模塊的SOC，并通過主從協議進行通信?；ミB可以是定制的crossbar或switch設計，甚至可以是支持多個AXI masters和slaves的現成NOC（片上網絡）IP。與以前的AHB/ASB總線相比，AXI互連有助于擴展agent數量的連接。其中一個slave端口上的AXI2APB橋接器，通常用于通信橋接到APB總線上的一組外設。

進一步的演變發生在移動和智能手機時代，SoC具有雙/四/八核處理器，使得在具有一致性緩存的多個CPU核集成在單個芯片上時，需要實現有效的數據共享和一致性管理。這導致在AMBA 4版本中引入了ACE。

最后，在當前HPC和數據中心市場異構計算的時代，集成趨勢繼續隨著處理器核心數量的增加以及GPU、DSP、FPGAs、memory controllers和IO子系統等幾種異構計算元素的增加而增加。2013年，AMBA 5引入了CHI協議，作為對AXI/ACE協議的重新設計。基于信號的AXI/ACE協議被新的基于數據包的CHI分層協議所取代。

以上就是AMBA協議演變的大致過程，ARM已經開源了所有協議，所有spec都可以從ARM網站免費下載：

APB:(Advanced Peripheral Bus)用于連接低帶寬外設。它是一種簡單的非流水線協議，可用于通過共享總線從brigde/master與多個slave進行通信(讀或寫)。讀和寫共享同一組信號，不支持burst傳輸。

AHB:(Advanced High-performance Bus)用于在共享總線上連接需要較高帶寬的組件。這些可以是內部存儲器或外部存儲器接口，DMA等，但共享總線將限制agent的數量。與APB類似，這是一個用于多個master和slave的共享總線協議，但可以通過burst傳輸實現更高的帶寬。

AHB-lite:AHB-lite協議是AHB的簡化版本。只支持單個master設計，并且移除了arbitration，retry，split等功能。

AXI:(Advanced eXtensible Interface)對于高帶寬和低延遲互連非常有用。這是一種點對點互連，克服了共享總線協議在可連接的agent數量方面的限制。該協議是AHB的增強版，支持outstanding傳輸、burst傳輸、獨立讀寫通道以及不同總線寬度。

AXI-lite:AXI-lite協議是AXI的簡化版本，不支持burst傳輸、亂序傳輸等等。

AXI-stream:它只支持數據從master流到slave。協議中沒有獨立的讀/寫通道，因為它只在一個方向上進行傳輸。不需要地址傳輸，只傳輸數據，沒有其他控制信號，在視頻流等設計中非常有用。

ACE:(AXI Coherency Extensions)是對AXI 4協議的擴展，它在多個CPU核心與一致性緩存集成在單個芯片上的時代得到了發展。ACE協議通過引入獨立的snoop地址、snoop數據和snoop響應通道，擴展了AXI讀寫數據通道。這些額外的通道提供了實現基于snoop的一致性協議的機制。

ACE-lite:ACE還為那些沒有自己的緩存,但仍然屬于可共享一致性域的agent提供了一個簡化版本的協議。典型的agent(如DMA或網絡接口agent)可以使用ACE-lite協議實現這種“單向”一致性。

CHI:(Coherent Hub Interface)隨著SOC上一致性cluster數量的增加，以及其他異構計算元素和內存控制器的加入，AMBA 5引入了CHI協議，作為ACE協議的完全重新設計。CHI協議使用分層的基于數據包的通信協議，包括協議層、鏈路層和物理層的實現，并支持基于QoS的流控制和重試機制。

進一步學習的最好方法是閱讀spec，了解協議的每一個細節。APB和AHB相對簡單，可以快速上手，AXI、ACE和CHI相對復雜，需要詳細閱讀并理解緩存一致性和通用通信協議的基礎知識。

審核編輯：劉清