AMBA-AHB的地址译码

前言        

地址译码器用于为总线上的每个 slave 提供选择信号 HSELx 。选择信号是通过组合逻辑

对地址码译码产生的，规范建议避免复杂的译码逻辑以保证高速操作。

        只在当前的数据传输完成后（HREADY 为高）， slave 才会采样地址和控制信号以及

HSELx 。在一定条件下可能出现这样的情况：产生 HSELx 信号而 HREADY 为低，在完成

当前传输后 slave 会改变。

        每个 slave 最小的地址空间为 1kB ，所有的 master 的 burst 传输的上限也是 1kB ，如此

设计保证了不会出现地址越界问题。当一个设计不会用到所有的地址空间时，可能出现访问

到一个不存在的地址的情况，这就需要增加一个附加的默认 slave 来为上面的情况提供一个

响应。当 SEQ 或 NONSEQ 传输访问到一个不存在的地址，默认 slave 应该提供 ERROR 响

应；当 IDLE 或 BUSY 传输访问到一个不存在的地址，默认 slave 会提供 OKAY 响应。地址

译码器会带有实现默认 slave 的功能。下图显示典型的地址译码系统和选择信号。

 

​​AHB协议地址译码机制详解​​

​​1. 地址译码器设计与HSELx生成​​

地址译码器是AHB总线的核心组件之一，负责根据主设备（Master）发送的地址信号生成从设备（Slave）选择信号 ​​HSELx​​。其设计遵循以下原则：

1. ​​译码逻辑简化​​

   • 使用高位地址（如HADDR[31:10]）进行组合逻辑译码，避免复杂计算以保证高速操作。
   • 示例：若从机地址范围为0x0000_0000~0x0000_03FF（1KB），则通过比较地址高22位（HADDR[31:10]）确定HSELx。
   • 代码实现中通常采用casez语句匹配地址范围，确保译码器响应速度。                           
   • 假设系统中有 ​​3个从设备（Slave）​​，地址分配如下：                                                    Slave1​​：地址范围 0x4000_0000 ~ 0x4000_0FFF（4KB，用于外设寄存器。                Slave2​​：地址范围 0x8000_0000 ~ 0x8000_FFFF（64KB，用于SRAM）。           ​Default Slave​​：处理未映射地址的访问，返回错误响应。

module ahb_decoder (input  wire        HCLK,       // 总线时钟input  wire        HRESETn,    // 复位信号（低有效）input  wire [31:0] HADDR,      // 地址总线input  wire        HREADY,     // 传输完成信号output reg         HSEL1,      // Slave1选择信号output reg         HSEL2,      // Slave2选择信号output reg         HSEL_DEFAULT // 默认Slave选择信号
);// 地址译码逻辑（组合逻辑）
always @(*) beginif (!HRESETn) beginHSEL1 = 1'b0;HSEL2 = 1'b0;HSEL_DEFAULT = 1'b0;end else if (HREADY) begin// 使用高位地址译码，HADDR[9:0]为从设备内部偏移地址casez (HADDR[31:10])// Slave1: 0x4000_0000 ~ 0x4000_0FFF (4KB)22'b0100_0000_0000_0000_0000_?? : begin // HADDR[31:10] = 20'h40000HSEL1 = 1'b1;HSEL2 = 1'b0;HSEL_DEFAULT = 1'b0;end// Slave2: 0x8000_0000 ~ 0x8000_FFFF (64KB)22'b1000_0000_0000_0000_????_?? : begin // HADDR[31:16] = 16'h8000HSEL1 = 1'b0;HSEL2 = 1'b1;HSEL_DEFAULT = 1'b0;end// 默认Slave处理未映射地址default : beginHSEL1 = 1'b0;HSEL2 = 1'b0;HSEL_DEFAULT = 1'b1;endendcaseend else begin// HREADY为低时保持当前选择信号HSEL1 = HSEL1;HSEL2 = HSEL2;HSEL_DEFAULT = HSEL_DEFAULT;end
endendmodule

1. ​​时序控制与HREADY信号​​

   • ​​HREADY为高时采样​​：Slave仅在HREADY=1（当前传输完成）时采样地址、控制信号及HSELx。
   • ​​HREADY为低时稳定​​：若译码过程中HREADY=0（传输未完成），HSELx保持原状态，避免信号跳变导致总线冲突。

​​2. 1KB地址边界与突发传输限制​​

1. ​​最小地址空间分配​​

   • 每个Slave的最小地址空间为1KB，起始地址需对齐至1KB边界（如0x0000_0000、0x0000_0400）。

   • 1KB地址边界的定义：在AHB协议中，每个从设备的最小地址空间为1KB（即1024字节），这是从设备地址空间的最小粒度。

   • 地址边界被划分为多个1KB的区域，例如：0x0000_0000到0x0000_03FF、0x0000_0400到0x0000_07FF等。

   • 为什么需要1KB地址边界限制?由于AHB协议规定每个从设备的地址空间最小为1KB，如果突发传输跨越了这个边界，可能会错误地访问其他从设备的地址空间，从而导致系统错误甚至致命错误。

   • 提高性能和兼容性：限制突发传输不能超过1KB边界，可以避免长时间的突发传输跨越多个从设备，从而降低性能损耗并确保协议的兼容性。

   • 突发传输的处理方式!如果突发传输试图跨越1KB边界，则必须将其拆分为两个或多个传输。

   • 比如，当传输地址落在1KB边界附近时，需要重新发起新的传输以确保数据正确到达目标地址。例如，如果传输地址为0x3F00，而目标地址为0x4000，则需要将传输拆分为两次传输：第一次传输到0x3F00，第二次传输到0x4000。

2. ​​突发传输约束​​

   • 所有Master的突发传输（如INCR、WRAP）不得跨越1KB边界。
   • ​​示例​​：若INCR4突发起始地址为0x0000_03FC（接近1KB边界），需拆分为两个INCR2突发以避免越界。

​​3. 默认Slave的响应机制​​

1. ​​功能定义​​

   • 默认Slave用于处理访问未分配地址空间的请求（如地址映射未填满时）。
   • ​​响应规则​​：
     • ​​SEQ/NONSEQ传输​​：返回ERROR响应，表示无效访问。
     • ​​IDLE/BUSY传输​​：返回零等待周期的OKAY响应，避免总线阻塞。

2. ​​实现方式​​

   • 默认Slave通常集成于地址译码器中，作为“兜底”逻辑。
   • 示例代码中通过default分支处理未匹配地址，返回默认响应。

​​4. 典型地址译码系统架构​​

1. ​​模块组成​​

   • ​​译码器​​：生成HSELx信号，选择目标Slave。
   • ​​读数据复用器​​：将选中Slave的读数据回传至Master。
   • ​​默认Slave​​：处理非法地址访问。

2. ​​时序示意图（图八解析）​​

   • ​​地址阶段​​：Master驱动地址后，译码器生成HSELx（基于高位地址）。
   • ​​数据阶段​​：Slave在HREADY=1时采样HSELx并响应数据。
   • ​​异常处理​​：非法访问触发默认Slave的ERROR或OKAY响应。

---

​​关键设计要点总结​​

​​设计要素​​	​​实现规则​​	​​引用来源​​
​​HSELx生成逻辑​​	高位地址译码，避免复杂逻辑
​​HREADY信号作用​​	控制HSELx采样时机，确保传输完成前信号稳定
​​1KB地址边界限制​​	防止突发越界，Slave地址空间对齐
​​默认Slave响应规则​​	SEQ/NONSEQ→ERROR；IDLE/BUSY→OKAY
​​译码器代码实现​​	使用casez语句匹配地址范围，HADDR[9:0]不参与译码

通过以上机制，AHB协议实现了高效、可靠的总线地址管理，同时通过默认Slave和边界约束保障了系统稳定性。