1、 集成 PWM 控制器在不间断电源系统中的应用 _电源技术论文电源技术论文摘要：随着集成电路设计技术的发展，在片上系统（S）中，越来越多地使用各种功能 IP 核部件构成系统。总线是这些部件连接的主要方式，目前有数家公司和组织研发了多种面向 S 设计的总线系统。本文介绍 S 中常用的三种片上总线 ABA、ishbne 和Avaln，分析和比较其特性，并针对其不同的特点阐述其使用范围。 关键词：S 片上总线 ABA ishbne Avaln 引 言 嵌入式系统是当今计算机工业发展的一个热点。随着超大规模集成电路的迅速发展，半导体工业进入深亚微米时代，器件特征尺寸越来越小，芯片规模越来越大，可以在单
2、芯片上集成上百万到数亿只晶体管。如此密集的集成度使我们现在能够在一小块芯片上把以前由 PU 和若干 I/接口等数块芯片实现的功能集成起来，由单片集成电路构成功能强大的、完整的系统，这就是我们通常所说的片上系统 S（Syste n hip） 。由于功能完整，S 逐渐成为嵌入式系统发展的主流。 S 相比板上系统，具有许多优点： 充分利用 IP 技术，减少产品设计复杂性和开发成本，缩短产品开发的时间； 单芯片集成电路可以有效地降低系统功耗； 减少芯片对外引脚数，简化系统加工的复杂性； 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快了数据传输和处理的速度； 内嵌的线路可以减少甚至避免电路板信号传送时
3、所造成的系统信号串扰。 S 的设计过程中，最具特色的是 IP 复用技术。即选择所需功能的 IP（给出 IP 定义）核，集成到一个芯片中用。由于 IP 核的设计千差万别，IP 核的连接就成为构造 S 的关键。片上总线（n-hip Bus，B）是实现 S 中 IP 核连接最常见的技术手段，它以总线方式实现 IP 核之间数据通信。与板上总线不同，片上总线不用驱动底板上的信号和连接器，使用更简单，速度更快。一个片上总线规范一般需要定义各个模块之间初始化、仲裁、请求传输、响应、发送接收等过程中驱动、时序、策略等关系。 由于片上总线与板上总线应用范围不同，存在着较大的差异，其主要特点如下： 片上总线要尽可
4、能简单。首先结构要简单，这样可以占用较少的逻辑单元；其次时序要简单，以利于提高总线的速度；第三接口要简单，如此可减少与 IP 核连接的复杂度。 片上总线有较大的灵活性。由于片上系统应用广泛，不同的应用对总线的要求各异，因此片上总线具有较大的灵活性。其一，多数片上总线的数据和地址宽度都可变，如 ABA AHB 支持 32 位128 位数据总线宽度；其二，部分片上总线的互连结构可变，如 ishbne 总线支持点到点、数据流、共享总线和交叉开关四种互连方式；其三，部分片上总线的仲裁机制灵活可变，如 ishbne 总线的仲裁机制可以完全由用户定制。 片上总线要尽可能降低功耗。因此，在实际应用时，总线上
5、各种信号尽量保持不变，并且多采用单向信号线，降低了功耗，同时也简化了时序。上述三种片上总线输入数据线和输出数据线都是分开的，且都没有信号复用现象。 片上总线有两种实现方案，一是选用国际上公开通用的总线结构；二是根据特定领域自主开发片上总线。本文就目前 S 上使用较多的三种片上总线标准AR 的 ABA、Silire 的 ishbne 和 Altera的 Avaln 进行讨论，对三者特性进行分析和比较。1 ABA 总线 ABA（Advaned irntrller Bus Arhiteture）总线规范是 AR 公司设计的一种用于高性能嵌入式系统的总线标准。它独立于处理器和制造工艺技术，增强了各种应
6、用中的外设和系统宏单元的可重用性。ABA 总线规范是一个开放标准，可免费从 AR 获得。目前，ABA 拥有众多第三方支持，被 AR 公司90%以上的合作伙伴采用，在基于 AR 处理器内核的 S 设计中，已经成为广泛支持的现有互联标准之一。ABA 总线规范 2.0 于 1999 年发布，该规范引入的先进高性能总线（AHB）是现阶段 ABA 实现的主要形式。AHB 的关键是对接口和互连均进行定义，目的是在任何工艺条件下实现接口和互连的最大带宽。AHB 接口已与互连功能分离，不再仅仅是一种总线，而是一种带有接口模块的互连体系。 ABA 总线规范主要设计目的如下： 满足具有一个或多个 PU 或 DSP
7、 的嵌入式系统产品的快速开发要求； 增加设计技术上的独立性，确保可重用的多种 IP 核可以成功地移植到不同的系统中，适合全定制、标准单元和门阵列等技术； 促进系统模块化设计，以增加处理器的独立性； 减少对底层硅的需求，以使片外的操作和测试通信更加有效。 ABA 总线是一个多总线系统。规范定义了三种可以组合使用的不同类型的总线：AHB（Advaned High-perfrane Bus） 、ASB （Advaned Syste Bus）和 APB（Advaned Peripheral Bus） 。 典型的基于 ABA 的 S 核心部分如图 1 所示。其中高性能系统总线（ AHB 或ASB）主要用
8、以满足 PU 和存储器之间的带宽要求。PU、片内存储器和 DA 设备等高速设备连接在其上，而系统的大部分低速外部设备则连接在低带宽总线 APB 上。系统总线和外设总线之间用一个桥接器（AHB/ASB-APB-Bridge）进行连接。 ABA 的 AHB 适用于高性能和高时钟频率的系统模块。它作为高性能系统的骨干总线，主要用于连接高性能和高吞吐量设备之间的连接，如 PU、片上存储器、 DA 设备和 DSP 或其它协处理器等。其主要特性如下：支持多个总线主设备控制器；支持猝发、分裂、流水等数据传输方式；单周期总线主设备控制权转换；32128 位数据总线宽度；具有访问保护机制，以区分特权模式和非特权
9、模式访问，指令和数据读取等；数据猝发传输最大为 16 段；地址空间32 位；支持字节、半字和字传输。 ABA 的 ASB 适用于高性能的系统模块。在不必要适用 AHB 的高速特性的场合，可选择 ASB 作为系统总线。它同样支持处理器、片上存储器和片外处理器接口与低功耗外部宏单元之间的连接。其主要特性与 AHB 类似，主要不同点是它读数据和写数据采用同一条双向数据总线。 ABA 的 APB 适用于低功耗的外部设备，它已经过优化，以减少功耗和对外设接口的复杂度；它可连接在两种系统总线上。其主要特性如下：低速、低功耗外部总线；单个总线主设备控制器；非常简单，加上 LK和 RESET，总共只有 4 个
10、控制信号；32 位地址空间；最大 32 位数据总线；读数据总线与写数据总线分开。2 ishbne 总线 ishbne 最先是由 Silire 公司提出的，现在已被移交给 penres 组织维护。由于其开放性，现在已有不少的用户群体，特别是一些免费的 IP 核，大多数都采用 ishbne 标准。 ishbne 总线规范是一种片上系统 IP 核互连体系结构。它定义了一种 IP 核之间公共的逻辑接口，减轻了系统组件集成的难度，提高了系统组件的可重用性、可靠性和可移植性，加快了产品市场化的速度。ishbne 总线规范可用于软核、固核和硬核，对开发工具和目标硬件没有特殊要求，并且几乎兼容已有所有的综合工
11、具，可以用多种硬件描述语言来实现。 ishbne 总线规范的目的是作为一种 IP 核之间的通用接口，因此它定义了一套标准的信号和总线周期，以连接不同的模块，而不是试图去规范 IP 核的功能和接口。 ishbne 总线结构十分简单，它仅仅定义了一条高速总线。在一个复杂的系统中，可以采用两条 ishbne 总线的多级总线结构：其一用于高性能系统部分，其二用于低速外设部分，两者之间需要一个接口。这个接口虽然占用一些电路资源，但这比设计并连接两种不同的总线要简单多了。用户可以按需要自定义 ishbne 标准，如字节对齐方式和标志位（TAG）的含义等等，还可以加上一些其它的特性。ishbne 的一种互连
12、结构如图。 灵活性是 ishbne 总线的另一个优点。由于 IP 核种类多样，其间并没有一种统一的间接方式。为满足不同系统的需要，ishbne 总线提供了四种不同的 IP 核互连方式：点到点（pint-t-pint） ，用于两 IP 核直接互连；数据流（data fl） ，用于多个串行 IP 核之间的数据并发传输；共享总线（shared bus） ，多个 IP 核共享一条总线；交叉开关（rssbar sith）（图 2） ，同时连接多个主从部件，提高系统吞吐量。 还有一种片外连接方式，可以连接到上面任何一种互连网络中。比如说，两个有 ishbne 接口的不同芯片之间就可以用点到点方式进行连接。
13、 ishbne 总线主要特征如下： 所有应用适用于同一种总线体系结构； 是一种简单、紧凑的逻辑 IP 核硬件接口，只需很少的逻辑单元即可实现； 时序非常简单； 主/从结构的总线，支持多个总线主设备； 864 位数据总线（可扩充） ； 单周期读写； 支持所有常用的总线数据传输协议，如单字节读写周期、块传输周期、控制操作及其它的总线事务等； 支持多种 IP 核互连网络，如单向总线、双向总线、基于多路互用的互连网络、基于三态的互连网络等； 支持总线周期的正常结束、重试结束和错误结束； 使用用户自定义标记（TAG） ，确定数据传输类型、中断向量等； 仲裁器机制由用户自定义； 独立于硬件技术(FPGA、
14、ASI、biplar、S 等) 、IP 核类型（软核、固核或硬核） 、综合工具、布局和布线技术等。3 Avaln 总线 Avaln 总线是 Altera 公司设计的用于 SP（Syste n Prgraable hip，可编程片上系统）中，连接片上处理器和其它 IP 模块的一种简单的总线协议，规定了主部件和从部件之间进行连接的端口和通信的时序。 Avaln总线的主要设计目的如下： 简单性，提供一种非常易于理解的协议； 优化总线逻辑的资源使用率，将逻辑单元保存在 PLD（Prgraable Lgi Devie，可编程逻辑器件）中； 同步操作，将其它的逻辑单元很好地集成到同一 PLD 中，同时避免
15、复杂的时序。传统的总线结构中，一个中心仲裁器控制多个主设备和从设备之间的通信。这种结构会产生一个瓶颈，因为任何时候只有一个主设备能访问系统总线。Avaln 总线的开关构造使用一种称之为从设备仲裁（Slave-side arbitratin）的技术，允许多个主设备控制器真正地同步操作。当有多个主设备访问同一个从设备时，从设备仲裁器将决定哪个主设备获得访问权。图 3 是一个多主设备同时访问存储器的例子。在此系统中，高带宽外设，如 100 以太网卡，可以不需暂停 PU 而直接访问存储器。通过允许存储访问独立于 PU。 Avaln 开关结构优化了数据流，从而提高了系统的吞吐量。Avaln 总线主要特性
16、如下：32 位寻址空间；支持字节、半字和字传输；同步接口；独立的地址线、数据线和控制线；设备内嵌译码部件；支持多个总线主设备，Avaln 自动生成仲裁机制；多个主设备可同时操作使用一条总线；可变的总线宽度，即可自动调整总线宽度，以适应尺寸不匹配的数据；提供了基于图形界面的总线配置向导，简单易用。4 三种片上总线比较 通过以上对三种总线特性的介绍，可以对三种总线作个比较，如表 1 所列。表 1 三种总线特性比较 ABAishbnAvaln 互连方式共享总线交叉开关/共享总线/数据流/点到点共享总线/总线开关主控制器多个多个多个数据总宽度/位 3212886432 地址空间/位 326432 数据
17、传输方式字节/半字/ 字字节/半字/ 字字节/半字/字事务传输方式流水/ 分裂/猝发传输单字节读写/块/猝发传输单字节读写/块传输数据对齐方式大端对齐 /小端对齐大端对齐/小端对齐大端对齐/小端对齐仲裁机制系统定义用户自定义系统生成独立性硬件技术/IP 核类型/综合工具无关硬件技术/IP 核类型/ 综合工具无关硬件技术/IP 核类型无关 基于三种总线的特性，可以得出其应用的综合比较，如表 2 所列。表 2 三种总线应用综合比较 ABAishbnAvaln 适用器件 PLD，ASIPLD，ASIAltera 系列 PLD 应用范围高性能嵌入式系统高性能嵌入式系统，型嵌入式系统用于 Altera
18、Nis 软核的系统中可用资源 AR 使用伙伴众多，提供了丰富的 IP 核对 IP 核没有特殊要求，而且.prnres.rg 中有许免费 IP 核 Alter 公司建立了 APP（Altera egafuntin Partners Prgra）组织，提供了丰富的 IP 核价格 AR 声黎免费，但需要授权协议完全免费 Altera 所有，需要授权协议 三种总线各有特点，决定了其应用范围的不同。ABA 总线规范拥有众多第三方支持，被 AR 公司 90%以上的合作伙伴采用，已成为广泛支持的现有互连标准之一。ishbne 异军突起，其简单性和灵活性受到广大 S 设计者的青睐。由于它是完全免费的，并有丰富
19、的免费 IP 核资源，因此它有可能成为未来的片上系统总线互连标准。Avaln 主要用于 Altera 公司系列 PLD 中，最大的优点在于其配置的简单性，可由 EDA 工具快速生成，受 PLD 厂商巨头 Altera 极力推荐，其影响范围也不可忽视。结 语 本文对 S 中常用的三种总线 ABA、ishbne 和 Avaln 的特性进行了详细分析和比较，在此基础上阐述了各自的应用范围，为 S 设计中总线选择提供了参考。S 系统中总线的选择不仅要看其性能，还要看其应用范围，是否有足够的 IP 核资源可用等等。另外，S 中可以选用的总线还有很多，如 IB 的 rennet、Plahip 的 reFrae、entr Graphis 的 FISPbus 等等。虽然这些总线目前的应用范围都远不如本文介绍的三种总线广泛，但是各有其特点和适用领域。因此，在 S 中选用片上总线时，需要进行认真选择。下载此论文：集成 P 控制器在不间断电源系统中的应用.dx（rd 文档）
