趙嘉禾，宋潤泉，許惟超，王贇皓，張 旋

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）的出現(xiàn)允許設(shè)計者將完整的系統(tǒng)集成到一塊芯片上。由于系統(tǒng)復(fù)雜度和市場帶來的壓力，設(shè)計者不會獨立開發(fā)完整的SoC，而是傾向于復(fù)用已設(shè)計好的功能模塊或購買其他公司的知識產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property，IP）核，以便于在高層級構(gòu)建系統(tǒng)。SoC 中的IP 核通過片上總線相互連接，片上總線的性能直接影響IP 核互聯(lián)效率。目前常用的片上總線標(biāo)準(zhǔn)包括高級微控制器總線結(jié)構(gòu)（Advanced Microcontroller Bus Architecture，AMBA）總線、開放芯核協(xié)議（Open Core Protocol，OCP）總線等[1]。

然而，一方面SoC 集成的功能塊功能的多樣性使得不同功能塊之間的時鐘頻率并不統(tǒng)一；另一方面，在當(dāng)下的深亞微米乃至納米級CMOS 工藝設(shè)計的集成電路中，受時序不穩(wěn)定性的影響，幾乎不可能做到全局時鐘同步[2-3]。因此現(xiàn)今SoC 往往采取各種形式的全局異步本地同步的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。在保證IP 核即插即用的前提下，不同頻率時鐘域下的IP 核在同步總線的數(shù)據(jù)交換就成為一大難題。解決這一問題的常用方案是采用若干個異步存儲器，對地址或數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行緩存[4-5]，但這不可避免地帶來額外的硬件開銷。

本文設(shè)計了一個跨時鐘域的OCP-AHB 總線模型，該模型以O(shè)CP 總線作為IP 接口，在異步時鐘域?qū)σ粋€支持OCP 的FIFO 進(jìn)行讀取和寫入。針對OCP 的同步問題，本文重新設(shè)計了跨時鐘域接口，在主從兩端使用兩個狀態(tài)機用于系統(tǒng)控制信息的交互，將不同時鐘域的主從設(shè)備發(fā)送的控制信息同步化并消除亞穩(wěn)態(tài)。出于優(yōu)化硬件開銷的考慮，本文在設(shè)計中沒有緩存總線的數(shù)據(jù)、地址或控制信息，而是使用有限狀態(tài)機（Finite State Machine，F(xiàn)SM）控制信號轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)、地址透明傳輸。同時，本文基于本文工作和已有的與OCP 兼容的AHB總線，實現(xiàn)了即插即用的跨時鐘域片上總線。本文對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證，并給出系統(tǒng)的性能結(jié)果。

1 改進(jìn)的跨時鐘域OCP 總線設(shè)計

1.1 OCP 簡介

OCP 總線由開放芯核協(xié)議國際合作組織提出，目的在于實現(xiàn)IP 核的即插即用，只要IP 核與連接的總線（或其他模塊）符合OCP，即使更換總線（或其他模塊）也無需修改IP 核[6]。OCP 總線的可裁剪特性允許設(shè)計者對其進(jìn)行改造，使之在滿足OCP 協(xié)議的基礎(chǔ)上更適應(yīng)實際的工作需求。目前已經(jīng)有許多工作對基本的OCP 總線進(jìn)行改進(jìn)，例如文獻(xiàn)[7]對OCP 總線進(jìn)行了多主從改造，允許判決器直接對正在工作的主機和從機進(jìn)行判決，提高資源復(fù)用率；文獻(xiàn)[8]在OCP 中引入有限狀態(tài)機，從而實現(xiàn)更加靈活操控總線請求的目標(biāo)。目前針對跨時鐘域的OCP 總線接口研究較少。文獻(xiàn)[9]中，作者使用雙時鐘同步先入先出（First Input First Output，F(xiàn)IFO）存儲器和同步-異步FIFO 作為總線數(shù)據(jù)的緩沖，就跨時鐘的OCP 總線進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。然而這也意味著為了鎖存數(shù)據(jù)和控制信息，會不可避免地浪費硬件資源。對于使用OCP 作為即插即用IP 核在片上總線的接口，文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]設(shè)計了與OCP 兼容的AHB 總線。該工作在AHB 總線的基礎(chǔ)上，設(shè)計了使用OCP 協(xié)議的接口，使得連接在AHB 片上總線的IP 核不依賴于特定總線。

開放芯核協(xié)議國際合作組織提出的OCP 定義了兩個實體之間的點對點通信協(xié)議，最基本的OCP 總線封裝中，IP 核與片上總線作為兩個通信實體通過OCP 總線相互連接。該協(xié)議設(shè)定了主機（Master）和從機（Slave）兩個通信實體，由主機發(fā)送控制信號，從機進(jìn)行響應(yīng)，并允許兩者半雙工交換數(shù)據(jù)信息。IP 核的設(shè)計者根據(jù)IP 的功能，決定該核作為主、從或兩者兼有，與IP 核功能相對應(yīng)的OCP 封裝接口用于實現(xiàn)該核與其連接的支持OCP的實體，即片上總線的互補，從而組成一個完整的OCP總線。

1.2 OCP 的跨時鐘改進(jìn)

如圖1 所示，本文針對OCP 的跨時鐘域需求對現(xiàn)有的OCP 接口做出了改進(jìn)。改進(jìn)后的跨時鐘域（Clock Domain Crossing，CDC）OCP 總線支持主從兩端使用異步時鐘進(jìn)行通信，各自的時鐘信號分別記作clk1 和clk2。為了避免異步傳輸數(shù)據(jù)時緩存數(shù)據(jù)造成存儲資源的浪費，數(shù)據(jù)的傳遞由主從兩端的狀態(tài)機控制。主機的控制信號、從機發(fā)出的響應(yīng)信號分別接入各自時鐘域下的有限狀態(tài)機FSM1 和FSM2 中，兩個不同時鐘的狀態(tài)機之間的請求（Req）和確認(rèn)（Ack）信號各由兩級觸發(fā)器進(jìn)行同步[12]，以消除亞穩(wěn)態(tài)。主從兩端對于所對應(yīng)的另一側(cè)接收到的控制信號SCmdAccept 和MRespAccept，則分別由FSM1 和FSM2 根據(jù)接收到的同步后AckSync 和ReqSync 信號進(jìn)行判決。

圖1 改進(jìn)的CDC-OCP 總線原理圖

圖2 展示了圖1 原理圖中主、從兩側(cè)的有限狀態(tài)機FSM1 和FSM2 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。其中實線代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移，虛線代表FSM1 和FSM2 兩個狀態(tài)機之間跨時鐘域的請求-響應(yīng)信息交互流。如圖所示，兩個狀態(tài)機都屬于Moore 狀態(tài)機，其中，F(xiàn)SM1 包含4 個狀態(tài)：等待命令（WaitCmd）、等待確認(rèn)（WaitAck）、等待接受響應(yīng)（Wait-RespAcc）和等待確認(rèn)停止（WaitAckn）；FSM2 包含5 個狀態(tài)：等待請求（WaitReq）、等待接受指令（WaitCmdAcc）、等待響應(yīng)（WaitResp）、等待請求停止（Wait-Reqn）和發(fā)送接受響應(yīng)（SendRespAcc）。FSM1 和FSM2允許分別工作于clk1 和clk2 兩個異步時鐘下，只有在同步后的AckSync 和ReqSync 信號到達(dá)，兩者才會響應(yīng)異步時鐘域的控制信號。

圖2 改進(jìn)的CDC-OCP 總線狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

如圖2 所示，F(xiàn)SM1 和FSM2 的初始狀態(tài)分別處于WaitCmd 和WaitReq 狀態(tài)。當(dāng)主機發(fā)出MCmd1 命令時，F(xiàn)SM1 進(jìn)入WaitAck 狀態(tài)，同時向FSM2 發(fā)出Req 信號。接收到Req 信號后，F(xiàn)SM2 由WaitReq 狀態(tài)轉(zhuǎn)移到WaitCmdAcc 狀態(tài)，MCmd1 在clk2 時鐘域一側(cè)的使能信號enCmd 置1，開始處理主機的命令。當(dāng)從機正確接收到MCmd 后，會反饋SCmdAccept2 信號，F(xiàn)SM2 接收到該信號 時，F(xiàn)SM2 進(jìn)入WaitResp 狀態(tài)，并停止enCmd 使能。從機對來自主機的命令進(jìn)行處理后，向主機發(fā)送SResp2反饋響應(yīng)情況，接收到該信號后FSM2 進(jìn)入WaitReqn 狀態(tài)，并向FSM1 發(fā)出Ack 信號，表示等待主機確認(rèn)。在從機進(jìn)行響應(yīng)的過程中，F(xiàn)SM1 直到收到Ack 信號為止一直保持在WaitAck 狀態(tài)，之后轉(zhuǎn)移到WaitRespAcc 狀態(tài)，將SCmdAccept1 信號置1 并使能enResp，使在clk1 時鐘域一側(cè)的主機收到從機的響應(yīng)狀態(tài)。在主機根據(jù)響應(yīng)SResp1 的情況進(jìn)行處理后發(fā)出確認(rèn)信號MRespAccept1，F(xiàn)SM1 接收到該信號后狀態(tài)轉(zhuǎn)移至WaitAckn，將Req 信號拉低以示本次請求完成。保持在WaitReqn 狀態(tài)的FSM2 檢測到低電平的Req 信號后轉(zhuǎn)移到SendRespAcc 狀態(tài)，向從機發(fā)出MRespAccept2 信號，將Ack 拉低并在下一時鐘恢復(fù)初始狀態(tài)。FSM1 檢測到Ack 低電平后便會從WaitAckn 狀態(tài)恢復(fù)初始狀態(tài)。經(jīng)過上述過程，圖1 中CDC-OCP 總線實現(xiàn)了一次完整的跨時鐘域通信。

2 CDC-OCP-AHB 總線的設(shè)計

AMBA 總線是ARM 公司設(shè)計開發(fā)的總線標(biāo)準(zhǔn)，已推出多個版本。它有著工藝無關(guān)、總線共享、支持突發(fā)、免費授權(quán)等特性，得到了廣泛應(yīng)用[13]。AMBA 標(biāo)準(zhǔn)定義了三種不同的總線，其中包括的AHB 用于高性能、高時鐘頻率系統(tǒng)模塊[14-15]。

本文實現(xiàn)了與OCP 兼容的AHB 總線，將其作為系統(tǒng)總線連接多個不同時鐘域的主機和從機。本文設(shè)計的系統(tǒng)模型如圖3 所示，包含兩個OCP 主機、兩個作為OCP 從機的FIFO，以上四個實體通過第1.2 節(jié)實現(xiàn)的CDC-OCP 總線接入AHB 總線上。與OCP 兼容的AHB總線包含兩個OCP 主端和OCP 從端，分別與主機和從機連接。CDC-OCP 總線作為跨時鐘域的接口連接AHB總線和主機或從機，實現(xiàn)跨時鐘域多主從通信。

圖3 CDC-OCP-AHB 總線結(jié)構(gòu)

圖3 中的虛線表示了主機1 到從機2 建立通路的控制信息流。在傳輸開始時，主機1 向與之相連的CDCOCP 總線發(fā)送命令并建立主機1 到CDC-OCP 從端的數(shù)據(jù)通路，而后依次建立到AHB、到從機相連的CDC-OCP總線，和到從機2 的數(shù)據(jù)通路。通過這條數(shù)據(jù)通路，主機1 可以向從機2 發(fā)送或請求數(shù)據(jù)。

3 實現(xiàn)與仿真

3.1 CDC-OCP 總線的實現(xiàn)

本文對CDC-OCP 總線進(jìn)行了寄存器傳輸級建模，并通過構(gòu)建一個支持OCP 的傳輸主機和一個作為OCP從機通信的FIFO，將處于不同時鐘域的兩者通過CDCOCP 總線相連接進(jìn)行仿真，驗證了設(shè)計方案的有效性。作為從機參與仿真過程的FIFO 會根據(jù)OCP 命令和自身數(shù)據(jù)空或滿的情況決定讀寫操作是否進(jìn)行以及反饋信號SCmdAccept 和SResp 的發(fā)出。

如圖4 所示，本文對CDC-OCP 系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗證。設(shè)置主機時鐘clk1 頻率為20 MHz，從機時鐘clk2頻率為50 MHz，兩者處于異步時鐘域。在初始復(fù)位后，主機通過CDC-OCP 總線向FIFO 依序發(fā)送了寫入、寫入、讀取、寫入、寫入、讀取、讀取、讀取的操作請求，在寫入過程中主機在數(shù)據(jù)總線中寫入隨機數(shù)。在寫入、讀取操作過程中，OCP 總線都可以正確存取數(shù)據(jù)。

圖4 CDC-OCP 總線驗證波形圖

3.2 CDC-OCP-AHB 總線的實現(xiàn)

本文對圖3 進(jìn)行了建模，其中兩個OCP 主機及兩個OCP-FIFO 從機分別編號為1_1、1_2、2_1、2_2，從機1 和從機2 的十六進(jìn)制地址分別設(shè)置為90000000 和10000000。系統(tǒng)中存在5 個時鐘：總線時鐘clk_bus、主機1 時鐘clk1_1、主機2 時鐘clk1_2、從機1 時鐘clk2_1 和從機2 時鐘clk2_2，分別設(shè)置頻率為50 MHz、125 MHz、33.3 MHz、20 MHz、33.3 MHz。該模型中四個實體通過OCP_AHB 總線依順序執(zhí)行以下操作。操作Ⅰ：1_1 向2_1 寫入數(shù)據(jù)，操作Ⅱ：1_2 向2_1 請求數(shù)據(jù)，操作Ⅲ：1_2向2_2 寫入數(shù)據(jù)，操作Ⅳ：1_1 向2_2 請求數(shù)據(jù)。

圖5 展示了多主從的OCP 系統(tǒng)通信的仿真波形圖。從仿真結(jié)果可以看出，CDC-OCP-AHB 總線多主從的控制通道建立正常，可以實現(xiàn)跨時鐘域總線數(shù)據(jù)的正確通信。這一結(jié)果證明了本文的設(shè)計成果的正確性。

圖5 CDC-OCP-AHB 總線驗證波形圖

4 結(jié)論

綜上所述，本文改進(jìn)設(shè)計并實現(xiàn)了CDC-OCP 總線。該總線支持主從兩端在異步時鐘域?qū)崿F(xiàn)控制信息通信和讀取寫入數(shù)據(jù)。既確保了控制信息同步化，又可以最大化硬件利用率，無需緩存數(shù)據(jù)即可正確傳輸數(shù)據(jù)。此外，本文實現(xiàn)了兼容OCP 的AHB 總線，并將其與CDCOCP 總線結(jié)合作為多個支持主機和從機跨時鐘域通信的片上總線進(jìn)行了RTL 級仿真驗證，證明了本文設(shè)計成果的可行性。本文輕量化其跨時鐘域接口，使用主從兩個狀態(tài)機通過兩級觸發(fā)器消除亞穩(wěn)態(tài)來相互通信，以此取代異步FIFO 在跨時鐘域中的作用，從而提高了硬件利用率。