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深入理解AMBA总线（六）AHB-lite Slave响应和其它控制信号

news 来源：原创 2025/7/27 4:19:28

上一篇文章给大家介绍了AHB-lite的一些控制信号，重点是通过这些控制信号去理解AHB-lite为什么这么设计，采用这些控制信号有什么好处。这节课给大家带来剩余的一些控制信号介绍。

1、Slave Response Signaling

1.1、Slave Transfer Responses

在Master发起一次传输以后，剩余的传输过程实际上是由Slave在控制。一旦传输开始，Master不能在中途取消这次传输。在之前的文章中，我们都是从Master的视角去看传输的，这篇文章引入Slave响应的视角，来建立完整的传输流程。
AHB-lite实际上通过HRESP和HREADY这两个信号的组合来控制传输响应，HRESP只有以下两个值：
OKAY
传输完成（HREADY为高）。
Slave额外需要传输周期，Transfer处于Pending状态（HREADY为Low）。
ERROR
在传输过程中发生了错误（通常情况下是写了只读区域造成的）。
需要两个HCLK Cycles去完成。
Master可以选择继续发该笔Transfer或者不再发起这次传输。
前面已经说过，HRESP和HREADY这两个信号的组合来控制传输响应，因此理论上一共有四种组合，接下来分别介绍这几种情况：
当HRESP为0，而HREADY为1，代表本次传输成功。
当HRESP为0，而HREADY为0。则代表Slave正在反压主机，可能是从机此时不能够及时的响应，主机此时应该维持住控制信号。当HREADY拉高，并且HRESP仍然为0，则代表本次传输成功结束。（需要注意的是，对于正常的传输，也就是不涉及错误情况的时候，HRESP应该始终为0）
Note：通常而言，每个Slave应该提前规定好最大的Wait states周期数。此外建议Slave不要插入多于16个周期的等待时间，否则的话每次访问可能要花费大量的时间去等待。
当HRESP为1，则代表传输出现错误了。
大概率是写了不让写的地方导致的。对于之前的正常传输而言，只需要维持住一个周期的响应，但是ERROR response需要两个时钟周期。（这是由于总线的流水线特性决定的，当slave发出ERROR响应时，下一个传输的地址已经被广播到总线上了。two-cycle响应给master提供了足够的时间取消下一次访问并将HTRANS [1：0]驱动到IDLE。）
我们直接看出现错误传输的情况的时序图，来便于我们的理解。下图是Master终止当前的突发传输的情况：
T1->T2：Slave插入一个Wait state，即HRADY为0并且将HRESP设置为OKAY。（Slave发现突发写出现错误，因此要准备返回ERROR response，首先要插入一个wait states来准备后续的操作，当然也可以插入多个wait states来准备后续的操作）
T2->T3：Slave返回一个ERROR response，这是ERROR response的第一个时钟周期，此时HREADY为0。
T3->T4：Slave返回一个ERROR response，这是ERROR response的第二个时钟周期，此时HREADY为1。
Master因此就有足够多的时间去决定下笔是继续发这个transfer还是终止这次transfer，这也就是为什么需要两个时钟周期去维持这个ERROR response，如果没有两个时钟周期的ERROR response，那么T2->T3的HREADY就应该为高，HTRANS应该迅速变成IDLE，来完成这次传输，如果逻辑复杂的话，组合逻辑链路会过长，为了保证流水线特性，让Master有足够多的时间去感知本次传输出错了，则需要维持两拍的ERROR response，此外这也是保证和其他的正常传输一致。回顾一下没有错误传输情况的突发传输，二者都具有流水线特性）。
在这个例子中，Master将HTRANS变成IDLE，代表放弃了这次对地址B的传输。
T4->T5：Slave返回OKAY response。这次突发传输到此结束。
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当然也可以继续传输，如下图所示：虽然突发写出错了。但是Master决定继续突发传输下去。
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2、其它控制信号

2.1、Protection Control

保护控制信号HPROT[3:0]，每一位代表不同的含义。该信号用于提供一些保护信息。
HPORT[0]，代表是取数据还是取指令。
HPORT[1]，代表是特权还是非特权模式访问。比如操作系统的地址区域，就应该是特权访问，并不是所有的写都有权限去写这段地址空间，不然就出大事了。
HPROT[2]，代表Bufferable。这个Bufferable指的是写的数据是可以放在Buffer里面还是一定要到达最后的目标地址空间。（实际上最终还是会写回最终目标地址空间的，只不过返回HRESP的时候，大概率是还没有写到最终的目标地址空间）对于写具有严格的先后顺序之分的地址空间，一般是Non-cacheable和Non-bufferable，否则可能会乱序。
HPORT[3]，代表Cacheable，表示是否可以存放在Cache中，是否更新最终的memory。对于外设寄存器这种，当然是不可以Cacheable的。我们本意就是希望写目标寄存器，达到某些功能。写到Cache里面，那就没法达到预期了。
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实际上很多AHB的Master或者Slave根本就不支持HPORT信号，或者是无法提供完整正确的HPORT信号。如果你用不到这些信号，ARM的推荐是：
Master将HPORT设置为0011，代表Non-cacheable、Non-Bufferable、Non-Privileged、data-access
对于Slave而言，符合奥卡姆剃刀原理。如非必要，不去使用HPORT信号。
除此之外，AHB5（AMBA5的AHB协议）增加了很多额外的控制信号，这些信号我暂时不打算讲。因为后续还会花几篇文章专门介绍完整的AHB协议，这几篇文章大家掌握AMBA3的AHB-lite控制信号即可。

3、AHB和ARM处理器

AHB本身就是由ARM公司推出的，因此它最早就是用在了ARM系列处理器中，如下图所示：
AHB-lite总线用在了Cortex-M0，M0+，M3，M4，M7处理器中。用于取指令和数据访问，还用在CoreSight的调试接口上。可以看到这些处理器都是一些低功耗的处理器。AHB-lite协议简单，信号变量较少，对性能要求不高，适用于这些场景。
AHB2用在了一些早期的ARM处理器中，比如ARM7，实际上这种处理器内核已经没有人使用了，AHB2协议也基本上淘汰了，现在要么是使用AMBA5的AHB5或者AHB-lite或者AMBA3的AHB-lite。（AMBA5和AMBA3的AHB-lite区别很小）。
AHB5主要用在一些相对性能高的M系列处理器中，比如Cortex-M23，Cortex-M33。这些处理器对保护特性、带锁访问、排他访问等具有要求，因此AHB5的一些信号适用于该场景。
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接下来再介绍一下对于某个特定的ARM处理器，它对应的AHB总线协议。
Cortex-M0/M0+：没用到突发传输，都是Single Transfer。这两款处理器都是非常轻量级的，Buffer也比较少。所以也用不到Burst，不需要源源不断的去取数据。
Cortex-M3/M4：没有Wrap transaction。只有Single Transfer或者基于INCR的Burst传输。（因为没有Cache，所以没有必要用Wrap transaction）。
除此之外，还增加了sideband signal用于支持Exclusive Transfer（前面已经提到，这两款处理器使用的是AHB-lite协议，AHB-lite协议里面本身没有Exclusive相关的信号。但是有时候要跑实时操作系统的时候，需要semaphore这种机制，设计者可以自行增加这些额外信号）。
Cortex-M7：有三个AHB-lite接口：AHBS、AHB、AHBP
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AHBS：AHB-lite Slave。用于让DMA去初始化TCM。TCM全称Tightly Coupled Memory。紧耦合内存，可以理解为On-chip Memory。用于存储一些关键的指令和数据。
AHBD：AHB-lite Debug。用来给Coresight调试用的。
AHBP：AHB-lite Peripheral。用来访问外设的，只支持Single Transfer。
Cortex-M23/M33：
M23和M0+很像，增加了TrustZone和整数除法功能，和M0+一样，只支持Single Transfer。
M33是M23和M4的缝合产品，支持TrustZone。对于突发传输，它只支持INCR Transfer（依旧没有Cache）。
本节课程就介绍到这里。原本想介绍相关代码的。但内容比较多可能难以消化。接下来应该会花3篇文章给大家介绍AHB2APB和AHB2SRAM的设计。然后介绍一下AHB的局限性，然后就开始AXI相关的介绍。有任何建议和意见欢迎评论或者私信。

1、Slave Response Signaling

1.1、Slave Transfer Responses

2、其它控制信号

2.1、Protection Control

3、AHB和ARM处理器

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