IP核互連策略及規范

隨著超深亞微米工藝的發展， IC設計能力與工藝能力極大提高，采用SoC（System on Chip）將微處理器、IP核、存儲器及各種接口集成在單一芯片上，已成為目前IC設計及嵌入式系統發展的趨勢和主流。為減少設計風險、縮短設計周期、更集中于應用實現，設計者越來越多的采用IP核復用。在此推動下，IP核互連技術及片上總線（On-Chip Bus）得到迅速發展，反過來它們又對IP核的設計、校驗、重用及IP核有關標準的制定也產生了深遠的影響。

IP核互連策略

就IP核互連的形式而言，主要有共享總線、點對點的連接及多總線幾種方式，帶寬、時延、數據吞吐率及功耗通常是幾個需主要考慮的因素。

共享總線方式是通過不同地址的解碼來完成不同主、從部件的互連及總線復用，這對多外設 IC系統設計而言，對地址總線的扇出提出了較高的要求，同時過于復雜的解碼邏輯會增加額外的時延。如果數據主要集中在一個主處理器與一個從外設交換數據，則其他的外設在此期間需處于IDEL 或高阻狀態，而對于多處理器設計的系統，其他的數據傳輸不能同時進行，增加了時延及等待。

通過增加總線的寬度、提高總線的時鐘以及采用多總線方案可以解決帶寬、時延問題。但增加總線的寬度，只有外圍設備在一個時鐘周期中能全部占有這些總線時才有效，否則總線的利用率就不高，而提高總線的時鐘也會受到一定的限制，同時會產生功耗方面的問題。

一個有效的辦法就是采用多總線方案。多總線的方案有多種實現形式，按不同速率對總線分段可以減少總線的競爭并且提高總線利用率；可采用獨立的讀寫總線以進行同時的讀寫；可提供多個并行的總線，對主、從部件間進行點對點的連接，以實現一對主、從部件的高速互連；另外還有一些有效的方式，如采用分層總線構架，采用交換矩陣或互連網絡，來實現多個主、從部件的同時互連，等等。多種總線仲裁算法可以被采用。采用循環占用總線，實現最為簡單；另外采用從部件仲裁（ Slave-side arbitration）的方案，在從部件需要數據傳送時占有總線，有利于提高總線的利用率。對于流水線傳送較多的情況，如何保證讀寫的流水線執行以減少時延也是總線仲裁考慮的一個重要方面。

下面就目前一些互連規范及它們采用的方案作介紹。

主要的 IP核互連規范

目前有較大影響的 IP核互連規范有IBM的CoreConnect總線、ARM的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)、Silicore Corp的Wishbone、開放核心協議國際聯合（OCP-IP）的OCP (Open Core Protocol)與虛擬插座接口連盟VSIA (Virtual Socket Interface Alliance)的VCI（Virtual Component Interface）、Altera的Avalon總線，　以及PlamchIP的CoreFrame 、MIPS的ECTM Interface， Altera的AtlanticTM Interface、IDT的IPBusTM (IDT Peripheral Bus)、Sonics的SiliconBackplaneTM μNetwork等，新的互連方案如基于PCI的方案也在積極發展中，下面就前面幾種予以介紹。

IBM的CoreConnect總線

CoreConnect總線的邏輯結構如圖1所示。CoreConnect采用了總線分段的方式，提供了三種基本類型總線，即處理器內部總線PLB(Processor Local Bus)、片上外圍總線OPB（On-Chip Peripheral Bus）和設備控制總線DCR（Device Control Register）。PLB提供了一個高帶寬、低延遲、高性能的處理器內部總線；OPB則用于連接具有不同的總線寬度及時序要求的外設和內存；DCR用來在CPU通用寄存器與設備控制寄存器之間傳輸數據，以減少PLB的負荷，增加其帶寬。

ARM的AMBA總線

AMBA總線的邏輯結構如圖2所示。同CoreConnect相似，AMBA也采用分段多總線體系，定義了三種不同類型的總線：AHB、ASP和APB。AHB用于高性能、高數據吞吐部件，如CPU、DMA、DSP之間的互連，ASP用來作處理器與外設之間的互連，APB則為系統的低速外部設備提供低功耗的簡易互連。系統總線和外設總線之間的橋接器提供AHB/ASP部件與APB部件間的訪問代理與緩沖。

Silicore的Wishbone總線

Wishbone邏輯結構如圖3所示。Wishbone采用的是主/從的構架，主、從部件通過內連網絡進行互連。

ishbone更著重定義IP核的接口信號和總線周期標準以實現IP核的重用，而對主從部件互連的內連網絡，它只是定義了點到點（point-to-point）、數據流（data flow）、共享總線（shared bus）、交叉開關（crossbar switch）四種不同形式，需由用戶來靈活選擇、生成、擴展，用戶還可用兩條Wishbone總線進行復雜系統的集成。目前www.opencores.org上很多共享IP都采用了該總線協議

OCP-IP的OCP

OCP 的IP核互連結構圖如圖4所示。OCP是基于定義一套完整通用IP核插座接口標準的互連方案，通過定義IP核與對應接口模塊間點到點的接口信號協議，如數據信號、邊帶信號和測試信號等，來實現IP核的可重用、即插即用、認證及測試，及不同IP核接口的集成，點到點的接口方式簡單且可完成數據的高速傳輸。對連接各接口模塊的片上內連總線形式，OCP未作定義，由用戶來擴展。