AMBA总线协议
1.AMBA总线协议
高级微控制器总线架构 (AMBA) 是一种开放标准的片上互连规范，用于连接和管理片上系统 (SoC) 设计中的功能块。 本质上，AMBA 协议定义了功能块如何相互通信。
下图显示了 SoC 设计的示例，使用了多个AMBA 协议(如 AXI)相互通信的功能块：
什么是AMBA协议
AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）是由ARM公司提出的一种片上系统（SoC）总线架构，旨在为嵌入式系统中的各个模块（如处理器、外设、内存等）提供高效的通信手段。AMBA协议定义了不同类型的总线和接口标准，用于在一个SoC内部的各个组件之间传递数据、控制信号和状态信息。
AMBA总线协议的主要特点包括高性能、可扩展性和灵活性。
AMBA总线协议的应用
AMBA总线协议被广泛应用于各种嵌入式系统，尤其是基于ARM架构的SoC设计。
AMBA总线的优点
- 高性能：AMBA协议支持高带宽和低延迟的数据传输，特别适合要求快速数据交换的应用。
- 可扩展性：AMBA架构支持多种总线协议，能够根据不同的需求扩展系统功能。
- 灵活性：不同的协议适用于不同的硬件组件，如APB用于外设通信，AXI用于高性能数据传输。
- 统一标准：AMBA为SoC内部各个组件提供了统一的接口标准，简化了设计和集成工作。
2.AMBA协议名称列表
| 版本 | 协议名称 | 中文注释 |
|---|---|---|
| AMBA 1.0 | ASB (Advanced System Bus) | 高级系统总线，支持高性能通信。 |
| APB1 (Advanced Peripheral Bus) | 高级外设总线，面向低带宽、低功耗外围设备。 | |
| AMBA 2.0 | AHB (Advanced High-performance Bus) | 高性能总线，支持突发传输和分层架构。 |
| ASB (Advanced System Bus) | 高级系统总线，支持高性能通信（后被取代）。 | |
| APB2 (Advanced Peripheral Bus) | 高级外设总线，面向低带宽、低功耗外围设备（改进版）。 | |
| AMBA 3.0 | AXI3 (Advanced eXtensible Interface) | 高带宽、低延迟，支持独立读写通道和复杂缓存管理。 |
| AHB-lite (Simplified AHB) | 简化版AHB，适用于单主控系统。 | |
| APB3(Advanced Peripheral Bus) | 高级外设总线（继续用于低带宽外设设备）。 | |
| ATB (Advanced Trace Bus) | 调试总线，用于追踪和调试数据。 | |
| AMBA 4.0 | AXI4 (Advanced eXtensible Interface 4) | 高效片上互联，支持更高效的数据传输。 |
| AXI4-Lite (Lite version of AXI4) | 简化版AXI，面向简单控制的应用。 | |
| AXI4-Stream (AXI4 Stream) | 高效数据流传输协议，适用于音视频等应用。 | |
| APB4(Advanced Peripheral Bus) | 高级外设总线（继续用于低带宽外设设备）。 | |
| ACE (AXI Coherency Extensions) | 缓存一致性扩展，支持多核系统共享缓存。 | |
| ATB (Advanced Trace Bus) | 调试总线，增强调试功能。 | |
| AMBA CHI | CHI (Cache Coherent Interconnect) | 基于环形总线的缓存一致性协议，面向片上网络。 |
名称说明
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ASB（Advanced System Bus）：这是AMBA协议的早期版本，主要用于提供高性能的系统模块之间的通信。ASB支持多个主控设备和从设备的突发传输，是早期SoC中常用的总线协议，现已被取代。
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APB（Advanced Peripheral Bus）：APB是AMBA总线架构中的低带宽、低功耗外设总线，专门用于连接速度较慢的外围设备（如定时器、串口通信模块等）。APB不需要高速传输，因此其设计较为简单，适合嵌入式系统中的低功耗模块。
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AHB（Advanced High-performance Bus）：AHB是AMBA 2.0版本中引入的高性能总线，取代了ASB。AHB支持高带宽和高性能的传输，尤其适用于需要大量数据交换的系统。它支持突发传输、分层架构，适用于大规模、复杂的多核SoC系统。
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AXI3（Advanced eXtensible Interface）：AXI是AMBA 3.0版本中引入的一种高带宽、低延迟的总线协议。AXI支持独立的读写通道，能够实现数据传输的高效管理，特别适合处理高吞吐量、低延迟要求的复杂多核系统。AXI也提供缓存一致性支持，适用于多核处理器和大规模内存共享系统。
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AHB-lite：AHB-lite是AHB的简化版本，通常用于对性能要求较低的单主控系统。它简化了AHB中的某些功能，减少了硬件复杂性，但仍能提供较高的传输性能。
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AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream：AXI4：为高带宽、高性能数据传输设计的协议，适用于复杂的应用，能够提供高效的片上互联。AXI4-Lite：是AXI的轻量化版本，适用于简单控制和低复杂度的接口。AXI4-Stream：优化了流数据传输，广泛应用于音视频流、网络传输等场景。
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ACE（AXI Coherency Extensions）：ACE是AXI协议的扩展，主要用于多核处理器系统中的缓存一致性管理。它确保多个处理器核心共享缓存时的数据一致性，是高效多核系统设计的关键协议。
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CHI（Cache Coherent Interconnect）：AMBA总线体系中的最新协议，是为大规模多核和片上网络设计的高端解决方案。它提供了缓存一致性和高效的系统互联，确保多核处理器和复杂计算系统中多个核心间的数据一致性。
3.AMBA 总线发展历程：
发展历程了解一下即可（主要使用APB和AXI4）
AMBA 1
Arm 在 1990 年代末推出了 AMBA。最初的 AMBA 总线包括高级系统总线（ASB）和高级外设总线（APB）。ASB 已被更新的协议所取代，而 APB 至今仍被广泛使用。
APB 设计用于低带宽控制访问，例如系统外设的寄存器接口。该总线具有简单的地址和数据阶段，以及低复杂度的信号列表。
AMBA 2
1999 年，AMBA 2 增加了 AMBA 高性能总线（AHB），这是一种单时钟边沿协议。在 AHB 中，一个简单的事务由一个地址阶段和随后的数据阶段组成。对目标设备的访问通过多路复用器（MUX）控制，每次只允许一个管理器访问。AHB 支持流水线操作以提高性能，而 APB 则没有流水线操作，旨在简化设计。
AMBA 3
2003 年，Arm 推出了第三代AMBA 3，包含 ATB 和 AHB-Lite、AXI、APB。
- ATB 是 CoreSight 片上调试和跟踪解决方案的一部分。
- AHB-Lite 是 AHB 的子集，简化了单管理器总线的设计。
AXI3（高级可扩展接口），是 AMBA 3规范中定义的第三代接口，旨在满足高性能、高时钟频率的系统设计需求。AXI 包含一些特性，使其适用于高速亚微米互连。
AMBA 4
2010 年，AMBA 4 规范发布，首先是 AMBA 4 AXI4，随后在 2011 年发布了 AMBA 4 AXI 连贯性扩展（ACE）。
- ACE 扩展了 AXI，增加了额外的信号，从而引入了系统级连贯性。系统级连贯性允许多个处理器共享内存。同时，ACE-Lite 协议启用了单向连贯性，使得网络接口可以从完全连贯的 ACE 处理器的缓存中读取数据。
AXI4-Stream 协议旨在实现从管理器到从属设备的单向数据传输，并减少信号路由，非常适合在 FPGA 中实现。
AMBA 5
2014 年，AMBA 5 连贯集线器接口（CHI）规范发布，具有重新设计的高速传输层和旨在减少拥塞的特性。CHI 协议已经有多个版本，每个新版本都增加了新的功能。
2016 年，AHB-Lite 协议更新为 AHB5，以补充 Armv8-M 架构，并将 TrustZone 安全功能从处理器扩展到整个系统。
2019 年，AMBA 自适应流量模型（ATP）发布。ATP 补充了现有的 AMBA 协议，用于以简洁、简单和可移植的方式建模高级内存访问行为。
AXI5、ACE5 和 ACE5-Lite 扩展了前几代协议，加入了一些性能和可扩展性特性，以与 AMBA CHI 相协调并进行补充。新增的功能和选项包括：
- 支持高频率、非阻塞的连贯数据传输，适用于多个处理器之间的通信。
- 层次化模型允许通信协议与传输协议的分离，支持灵活的拓扑结构，例如交叉条、环形、网状或自定义拓扑。
- 缓存存储功能，允许加速器或 I/O 设备在 CPU 缓存中存储关键数据，以便低延迟访问。
- 远程原子操作，允许互连进行高频率的共享数据更新。
- 端到端数据保护功能。
| 版本 | 发布时间 | 总线协议 | 新增协议 | 特性描述 | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| AMBA 1.0 | 1996年 | ASB APB1 | - | ASB：高级系统总线，支持高性能通信。 APB：高级外设总线，面向低带宽、低功耗外围设备。 | 单核系统，低带宽外围设备 |
| AMBA 2.0 | 1999年 | AHB APB2(改进版) | - | AHB：高性能总线，取代ASB，支持突发传输和分层架构。 APB：改进版，继续支持外设连接。 | 高性能系统，分层总线架构 |
| AMBA 3.0 | 2004年 | AXI3 AHB-lite APB3(升级版) ATB | AXI:高带宽、低延迟，支持独立读写通道和复杂缓存管理。 AHB-lite:简化版AHB，适用于单主控设备。 APB(升级版):更灵活的低功耗控制。 ATB:用于调试和追踪数据。 | 强化高性能数据传输，支持多核嵌入式系统。 提供高效的调试追踪能力。 | 多核系统，嵌入式系统，调试与追踪 |
| AMBA 4.0 | 2010年 | AXI4 AXI4-Lite AXI4-Stream ACE ATB4(改进版) | AXI4:支持更高效的片上互联。 AXI4-Lite:简化版AXI，面向简单控制。 AXI4-Stream:支持高效的数据流传输。 ACE:缓存一致性扩展，支持多核系统的共享缓存。 ATB(改进版):增强调试功能。 | 引入缓存一致性支持，面向复杂多核系统。 支持更高效的数据流和控制接口。 | 多核系统，高效计算，数据流处理 |
| AMBA CHI | 2014年 | CHI（Cache Coherent Interconnect） | - | CHI：基于环形总线的缓存一致性协议，面向片上网络（NoC），提供高性能一致性通信，适用于大规模多核系统。 | 大规模多核系统、高性能计算（HPC） |
- AMBA 1.0 是基础设计，以 ASB 和 APB 为核心，面向早期嵌入式系统(ASB已被取代)。
- AMBA 2.0 引入了更高性能的 AHB，总线性能得到提升。
- AMBA 3.0 推出了 AXI，开始支持复杂的多核和高效数据传输。
- AMBA 4.0 强化了缓存一致性，扩展了数据流传输能力。
- AMBA CHI 是为大规模多核和片上网络设计的高端解决方案。
总结说明
- 从单核到多核：AMBA协议逐步加入缓存一致性、共享缓存支持，以及专门面向多核系统的优化（如ACE和CHI协议）。
- 从总线到片上网络：AMBA CHI协议代表了从传统总线结构向片上网络（NoC）的转变，满足大规模多核系统的需求。
- 灵活性提升：AXI4、AXI4-Lite和APB等协议的升级和轻量化版本为不同应用场景提供了更多灵活的选择，特别是在高性能计算和低功耗设计中。