3.1　Avalon總線

　　Avalon總線是SOPC設(shè)計(jì)中連接片上處理器和其它IP模塊的一種簡(jiǎn)單總線協(xié)議,規(guī)定了主、從構(gòu)件之間的端口連接以及通信時(shí)序關(guān)系。使用Avalon總線,能優(yōu)化處理器和外設(shè)間的數(shù)據(jù)流,提高系統(tǒng)的吞吐量,并且允許根據(jù)應(yīng)用特性裁剪總線體系,從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。Avalon總線有支持并發(fā)多主設(shè)備、自動(dòng)生成仲裁機(jī)制、可配置等主要特性。

　　在基于Nios或者Nios II軟核的系統(tǒng)中,Avalon總線通過(guò)可編程邏輯器件內(nèi)部的互連邏輯來(lái)連接處理器和其他外設(shè)。當(dāng)某外設(shè)接收多個(gè)資源的數(shù)據(jù)時(shí),多路復(fù)用器選擇正確數(shù)據(jù)。主設(shè)備無(wú)需訪問(wèn)某個(gè)特定從設(shè)備時(shí),它們之間的互連邏輯將被取消,從而節(jié)省硬件資源。

　　主-從設(shè)備對(duì)之間有專門接口,因此多個(gè)主設(shè)備可以同時(shí)啟動(dòng),并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)給從設(shè)備。只有一個(gè)主設(shè)備訪問(wèn)某從設(shè)備時(shí),該主設(shè)備可以立即訪問(wèn)目標(biāo)從設(shè)備。有兩個(gè)主設(shè)備的并發(fā)多主設(shè)備的總線體系能提供高達(dá)兩倍的吞吐量;有3個(gè)主設(shè)備時(shí),則能提供高達(dá)3倍的吞吐量。

　　兩個(gè)主設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)從設(shè)備時(shí),需要執(zhí)行從設(shè)備仲裁。對(duì)于基于Nios或者Nios II的系統(tǒng),系統(tǒng)生成軟件SOPC Builder完全在Avalon總線模塊內(nèi)執(zhí)行從設(shè)備仲裁。可被多個(gè)主設(shè)備訪問(wèn)的從設(shè)備都有一個(gè)仲裁器,在SOPC Builder中也可以設(shè)置仲裁優(yōu)先級(jí)。

　　Avalon總線是如何實(shí)現(xiàn)從設(shè)備仲裁的。其中,系統(tǒng)主設(shè)備CPU和DMA控制器共享同一個(gè)從設(shè)備(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外設(shè)),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器完成仲裁。如果所有主設(shè)備同時(shí)開(kāi)始與從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸,仲裁器會(huì)指定獲得從設(shè)備訪問(wèn)權(quán)的主設(shè)備。CPU使用和DMA控制器之間的互連來(lái)建立DMA傳輸。

　　3.2　Avalon在SOPC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　在FPGA系列器件上基于Nios或者Nios II進(jìn)行SOPC設(shè)計(jì)時(shí),Avalon總線規(guī)范由系統(tǒng)生成工具SOPC Builder自動(dòng)生成。Avalon總線模塊作為系統(tǒng)模塊的主干,使系統(tǒng)外設(shè)間實(shí)現(xiàn)通信,很少作為分離單元使用。系統(tǒng)要與片外存儲(chǔ)器通信時(shí),必須在Avalon總線和連接外部存儲(chǔ)器的總線之間加入Avalon三態(tài)橋,一個(gè)Avalon總線模塊框圖的實(shí)例。此時(shí),需要選擇總線輸入信號(hào)是否需要寄存器寄存。寄存器會(huì)提高片外時(shí)鐘寄存邏輯的最大頻率,同時(shí)也增加延遲。

　　4　兩種片上總線比較

　　AMBA和Avalon的不同點(diǎn),決定了其應(yīng)用范圍的不同。AMBA總線規(guī)范擁有眾多第三方支持,已成為廣泛支持的現(xiàn)有互連標(biāo)準(zhǔn)之一,主要用于基于ARM處理器核的SoC設(shè)計(jì)中。Avalon則主要用于在Altera系列FPGA上實(shí)現(xiàn)SOPC,其配置的簡(jiǎn)單性、可由EDA工具快速生成等優(yōu)點(diǎn),再加上受Altera極力推薦,其影響范圍也不可忽視,Nios II處理器的高性能也進(jìn)一步擴(kuò)充了Avalon總線的應(yīng)用范圍。AMBA和Avalon這兩種總線都具有支持多主設(shè)備控制器、支持多種傳輸方式等特點(diǎn),從而能滿足片上總線的要求。

　　5　結(jié)束語(yǔ)

　　系統(tǒng)中片上總線的選擇需要考慮總線的性能、應(yīng)用范圍、可用IP核資源等,總線的具體應(yīng)用形式也各有其特性。文中將片上總線與傳統(tǒng)總線進(jìn)行比較,介紹了并發(fā)多主設(shè)備總線體系;同時(shí)通過(guò)對(duì)AMBA和Avalon兩種片上總線的詳細(xì)分析、比較,針對(duì)它們的不同特性及具體應(yīng)用形式闡述了各自的應(yīng)用范圍,從而方便設(shè)計(jì)師對(duì)這兩種片上總線的充分理解,為SOPC及其他SoC設(shè)計(jì)中的片上總線選擇和應(yīng)用提供了參考。除了AMBA和Avalon之外,SoC設(shè)計(jì)中還可以選用IBM的CoreConnect、Silicore的Wishbone等總線,它們也各有其特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。