全文 - APB3

AMBA® APB 协议规范

版本：2.0

文档编号：ARM IHI 0024C (ID042910)

原文：AMBA APB Protocol Specification, Version 2.0（ARM IHI 0024C）
版权所有 © 2003-2010 ARM。保留所有权利。
本文档为非机密（Non-Confidential）状态。
官方网址：http://www.arm.com

发布信息

下表列出了本文档的变更历史。

日期版本保密级别变更内容
2003 年 9 月 25 日A非机密v1.0 首次发布
2004 年 8 月 17 日B非机密v1.0 第二次发布
2010 年 4 月 13 日C非机密v2.0 首次发布

版权声明

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文中使用"ARM"一词时，指"ARM 或其任何子公司（视情况而定）"。

ARM AMBA 规范许可协议

本最终用户许可协议（“许可”）是您（无论是单个个人还是单一法律实体）与 ARM Limited（“ARM”）之间就使用随附本许可的相关 AMBA 规范所达成的法律协议。ARM 仅在您接受本许可全部条款的条件下，才愿意向您许可相关 AMBA 规范。点击"我同意"或以其他方式使用或复制相关 AMBA 规范，即表示您同意受本许可全部条款的约束。如果您不同意本许可的条款，ARM 不愿意向您许可相关 AMBA 规范，您不得使用或复制相关 AMBA 规范，并应立即将相关 AMBA 规范退还给 ARM。

"被许可方（LICENSEE）"指您及您的子公司。

"子公司"指：如果您是单一实体，则指其多数表决权股份现在或今后由您直接或间接拥有或控制的任何公司。一家公司仅在该控制存在期间才被视为子公司。

  1. 在遵守第 2、3、4 条规定的前提下，ARM 特此授予被许可方一项永久的、非排他的、不可转让的、免版税的、全球范围的许可，以：
    (i) 为开发及委托开发符合相关 AMBA 规范的产品之目的，使用和复制相关 AMBA 规范；
    (ii) 制造及委托制造符合以下条件的产品：(a) 由被许可方依据第 1(i) 条授予的许可创建或为其创建的产品；或 (b) 包含由第三方依据该第三方的 ARM AMBA 规范许可第 1(i) 条所授予的许可而创建的产品的产品；
    (iii) 要约销售、销售、供应或以其他方式分销符合以下条件的产品：(a) 依据第 1(i) 条授予的许可创建的产品；或 (b) 依据第 1(ii) 条授予的许可制造的产品。

  2. 被许可方特此同意，第 1 条授予的许可受以下限制：
    (i) 如果依据第 1(i) 条创建的产品是包含 CPU 的集成电路，则：(a) 该 CPU 仅应在 ARM 许可下制造；或 (b) 该 CPU 既未实质上符合、也未以符合 ARM 不时许可的 ARM 指令集的方式进行市场宣传；
    (ii) 第 1(iii) 条授予的许可不延伸至产品中本身不符合相关 AMBA 规范任何部分的任何部分或功能；
    (iii) 本协议未授予被许可方对其所获权利进行再许可的任何权利。

  3. 除依据第 1 条明确许可的范围外，被许可方不取得任何 ARM 技术或其中体现的任何知识产权的任何权利、所有权或权益。在任何情况下，依据第 1 条授予的许可均不得被解释为以明示、默示、禁止反言或其他方式，授予被许可方使用除相关 AMBA 规范以外的任何 ARM 技术的许可。

  4. 相关 AMBA 规范按"原样"提供，不附带任何明示、默示或法定的保证，包括但不限于对令人满意的质量、适销性、不侵权或特定用途适用性的任何保证。

  5. 依据第 1 条的规定，未授予被许可方任何明示、默示或其他形式的许可，以就相关 AMBA 规范或基于其的任何产品使用 ARM 商号或 AMBA 商标。本许可中的任何内容均不得被解释为授权被许可方代表 ARM 就相关 AMBA 规范作出任何陈述。

  6. 本许可将持续有效，直至您或 ARM 终止。在不影响其其他权利的情况下，如果被许可方违反本许可的任何条款和条件，ARM 可在向您发出书面通知后立即终止本许可。您可以随时终止本许可。本许可期满或由您或 ARM 终止后，被许可方应停止使用相关 AMBA 规范，并销毁其持有的相关 AMBA 规范的所有副本以及所有文档和相关材料。本许可期满或终止后，第 6 条和第 7 条的规定继续有效。

  7. 本协议的效力、解释和履行受英格兰法律管辖。

ARM 合同编号：LEC-PRE-00490-V4.0 ARM AMBA 规范许可

保密状态

本文档为非机密（Non-Confidential）。根据 ARM 与接收方签订的协议条款，使用、复制和披露本文档的权利可能受许可限制。

产品状态

本文档中的信息为最终版，即针对已开发完成的产品。

目录

  • 前言
    • 关于本书
    • 反馈
  • 第 1 章 简介
    • 1.1 关于 APB 协议
    • 1.2 APB 修订版本
  • 第 2 章 信号描述
    • 2.1 AMBA APB 信号
  • 第 3 章 传输
    • 3.1 写传输
    • 3.2 写选通
    • 3.3 读传输
    • 3.4 错误响应
    • 3.5 保护单元支持
  • 第 4 章 操作状态
    • 4.1 操作状态
  • 附录 A 修订记录

表目录

  • 表 2-1 APB 信号描述
  • 表 3-1 保护编码
  • 表 A-1 版本 A
  • 表 A-2 版本 A 与版本 B 之间的差异
  • 表 A-3 版本 B 与版本 C 之间的差异

图目录

  • 时序图约定图例
  • 图 3-1 无等待状态的写传输
  • 图 3-2 带等待状态的写传输
  • 图 3-3 字节通道映射
  • 图 3-4 无等待状态的读传输
  • 图 3-5 带等待状态的读传输
  • 图 3-6 失败的写传输示例
  • 图 3-7 失败的读传输示例
  • 图 4-1 状态图

前言

本前言介绍《AMBA APB 协议规范》，包含以下小节：

  • 关于本书
  • 反馈

关于本书

本书即《AMBA APB 协议规范》。

目标读者

本书面向希望熟悉高级微控制器总线架构（AMBA，Advanced Microcontroller Bus Architecture）中高级外设总线（APB，Advanced Peripheral Bus）协议的硬件和软件工程师。

本书结构

本书按以下章节组织：

  • 第 1 章 简介：阅读本章以了解 APB 协议概览。
  • 第 2 章 信号描述：阅读本章以了解 APB 信号的描述。
  • 第 3 章 传输：阅读本章以了解不同类型的 APB 传输。
  • 第 4 章 操作状态：阅读本章以了解 APB 操作状态的描述。
  • 附录 A 修订记录：阅读本章以了解本书各发布版本之间的技术变更。

排版约定

本书使用的约定在以下小节中描述：

  • 字体排版
  • 时序图
  • 信号

字体排版

排版约定如下：

  • 斜体：突出重要注释，引入特殊术语，表示内部交叉引用和引文。
  • 粗体：突出界面元素（如菜单名称），表示信号名称。在适当情况下也用于描述性列表中的术语。
  • 等宽字体：表示可通过键盘输入的文本，如命令、文件名和程序名以及源代码。
  • 带下划线的等宽字体：表示命令或选项允许的缩写形式，可以只输入带下划线的文本来代替完整的命令或选项名。

<和>

在代码或代码片段中出现汇编语法时，尖括号括起可替换的项。例如：

MRC p15, 0 <Rd>, <CRn>, <CRm>, <Opcode_2>

时序图

名为"时序图约定图例"的图解释了时序图中使用的各个组成部分。如有变化，图中会有明确的标签说明。不得假设任何未在图中明确给出的时序信息。

带阴影的总线和信号区域表示未定义，因此在该时刻总线或信号可以在阴影区域内取任意值。实际电平无关紧要，不影响正常操作。

时序图约定图例包含以下图形元素：

  • 时钟（Clock）
  • 从高到低的跳变（HIGH to LOW）
  • 瞬态（Transient）
  • 从 高/低 到高的跳变（HIGH/LOW to HIGH）
  • 总线稳定（Bus stable）
  • 总线变为高阻态（Bus to high impedance）
  • 总线变化（Bus change）
  • 高阻态变为稳定总线（High impedance to stable bus）

时序图有时会将单位信号同时显示为 HIGH 和 LOW，其外观与上述"总线变化"图示类似。如果时序图以这种方式显示单位信号，则其取值不影响相应的文字描述。

信号

信号约定如下：

  • 信号电平：有效（asserted）信号的电平取决于该信号是高电平有效还是低电平有效。"有效"的含义为：
    • 对高电平有效（active-HIGH）信号，指 HIGH；
    • 对低电平有效（active-LOW）信号，指 LOW。
  • 小写字母 n：出现在信号名称的开头或结尾时，表示该信号为低电平有效。

延伸阅读

本节列出 ARM 及第三方的出版物。ARM 文档可从 Infocenter 获取：http://infocenter.arm.com。

ARM 出版物

本书包含本产品特有的信息。其他相关信息请参阅以下文档：

  • 《AMBA AXI 协议规范》（ARM IHI 0022）

反馈

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对产品的反馈

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  • 产品名称；
  • 产品修订版本或版本号；
  • 尽可能详细的说明。如适用，请包括故障现象和诊断过程。

对文档内容的反馈

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  • 文档标题：《AMBA APB Protocol Specification》
  • 文档编号：ARM IHI 0024C
  • 您的意见所适用的页码
  • 对您意见的简明解释

ARM 也欢迎对增补和改进提出一般性建议。

第 1 章 简介

本章概述 APB 协议，包含以下小节：

  • 1.1 关于 APB 协议
  • 1.2 APB 修订版本

1.1 关于 APB 协议

高级外设总线（APB，Advanced Peripheral Bus）是高级微控制器总线架构（AMBA）协议族的一部分。它定义了一种低成本接口，针对最低功耗和降低接口复杂度进行了优化。

APB 协议不是流水线式的，应使用它连接不需要 AXI 协议那样高性能的低带宽外设。

APB 协议将信号跳变与时钟的上升沿相关联，以简化 APB 外设到任何设计流程中的集成。每次传输至少需要两个周期。

APB 可以与以下总线接口：

  • AMBA 高级高性能总线（AHB）
  • AMBA 高级高性能总线 Lite（AHB-Lite）
  • AMBA 高级可扩展接口（AXI）
  • AMBA 高级可扩展接口 Lite（AXI4-Lite）

您可以使用 APB 访问外设设备的可编程控制寄存器。

1.2 APB 修订版本

1998 年发布的 APB Specification Rev E 现已过时，由以下三个修订版本取代：

  • AMBA 2 APB 规范（AMBA 2 APB Specification）
  • AMBA 3 APB 协议规范 v1.0（AMBA 3 APB Protocol Specification v1.0）
  • AMBA APB 协议规范 v2.0（AMBA APB Protocol Specification v2.0）

1.2.1 AMBA 2 APB 规范

AMBA 2 APB 规范详见《AMBA Specification Rev 2》（ARM IHI 0011A）。该规范定义了接口信号、基本的读写传输，以及两个 APB 组件：**APB 桥（APB bridge）**和APB 从设备（APB slave）。

该版本的规范称为APB2。

1.2.2 AMBA 3 APB 协议规范 v1.0

AMBA 3 APB 协议规范 v1.0 定义了以下附加功能：

  • 等待状态（Wait states）。见第 3 章"传输"。
  • 错误报告（Error reporting）。见 3.4 节"错误响应"。

以下接口信号支持上述功能：

  • PREADY：就绪信号，用于指示 APB 传输的完成。
  • PSLVERR：错误信号，用于指示传输失败。

该版本的规范称为APB3。

1.2.3 AMBA APB 协议规范 v2.0

AMBA APB 协议规范 v2.0 定义了以下附加功能：

  • 事务保护（Transaction protection）。见 3.5 节"保护单元支持"。
  • 稀疏数据传输（Sparse data transfer）。见 3.2 节"写选通"。

以下接口信号支持上述功能：

  • PPROT：保护信号，用于在 APB 上同时支持非安全（non-secure）和安全（secure）事务。
  • PSTRB：写选通信号，用于在写数据总线上实现稀疏数据传输。

该版本的规范称为APB4。

第 2 章 信号描述

本章描述 AMBA APB 信号，包含以下小节：

  • 2.1 AMBA APB 信号

2.1 AMBA APB 信号

表 2-1 列出了 APB 信号。

表 2-1 APB 信号描述

信号来源描述
PCLK时钟源时钟。PCLK 的上升沿为 APB 上所有传输提供时序基准。
PRESETn系统等效总线复位。APB 复位信号为低电平有效。该信号通常直接连接到系统总线复位信号。
PADDRAPB 桥地址。这是 APB 地址总线，宽度可达 32 位，由外设总线桥单元驱动。
PPROTAPB 桥保护类型。该信号指示事务的普通（normal）、特权（privileged）或安全（secure）保护级别，以及该事务是数据访问还是指令访问。
PSELxAPB 桥选择。APB 桥单元为每个外设总线从设备生成该信号。它表示从设备被选中且需要进行数据传输。每个从设备各有一个 PSELx 信号。
PENABLEAPB 桥使能。该信号指示 APB 传输的第二个及后续周期。
PWRITEAPB 桥方向。该信号为高电平时表示 APB 写访问，为低电平时表示 APB 读访问。
PWDATAAPB 桥写数据。在写周期期间（PWRITE 为高电平时），该总线由外设总线桥单元驱动。该总线宽度可达 32 位。
PSTRBAPB 桥写选通。该信号指示写传输期间要更新哪些字节通道。写数据总线每 8 位对应一个写选通信号。因此，PSTRB[n] 对应于 PWDATA[(8n + 7):(8n)]。读传输期间写选通必须保持无效。
PREADY从设备接口就绪。从设备使用该信号来延长 APB 传输。
PRDATA从设备接口读数据。在读周期期间（PWRITE 为低电平时），该总线由被选中的从设备驱动。该总线宽度可达 32 位。
PSLVERR从设备接口该信号指示传输失败。APB 外设不要求必须支持 PSLVERR 引脚——对现有和新的 APB 外设设计均如此。若外设不包含该引脚，则 APB 桥的相应输入应接低电平。

2.1.1 数据总线

APB 协议有两条独立的数据总线：一条用于读数据，一条用于写数据。两条总线的宽度均可达 32 位。由于这两条总线没有各自独立的握手信号，因此不可能在两条总线上同时进行数据传输。

第 3 章 传输

本章描述典型的 AMBA APB 传输、错误响应以及保护单元支持，包含以下小节：

  • 3.1 写传输
  • 3.2 写选通
  • 3.3 读传输
  • 3.4 错误响应
  • 3.5 保护单元支持

3.1 写传输

本节描述以下类型的写传输：

  • 无等待状态的写传输
  • 带等待状态的写传输

3.1.1 无等待状态的写传输

图 3-1 展示了一次无等待状态的基本写传输。

图 3-1 无等待状态的写传输

在T1时刻，写传输开始：地址PADDR、写数据PWDATA、写信号PWRITE和选择信号PSEL在 PCLK 的上升沿被寄存。这称为写传输的建立阶段（Setup phase）。

在T2时刻，使能信号PENABLE和就绪信号PREADY在 PCLK 的上升沿被寄存：

  • 当PENABLE有效（asserted）时，表示传输的**访问阶段（Access phase）**开始。
  • 当PREADY有效时，表示从设备可以在 PCLK 的下一个上升沿完成传输。

地址PADDR、写数据PWDATA以及控制信号全部保持有效，直到传输在T3（访问阶段结束）完成。

使能信号PENABLE在传输结束时被置为无效。选择信号PSEL也被置为无效，除非本次传输之后紧跟另一次针对同一外设的传输。

3.1.2 带等待状态的写传输

图 3-2 展示了从设备如何使用PREADY信号延长传输。

图 3-2 带等待状态的写传输

在访问阶段，当PENABLE为高电平时，从设备通过将PREADY驱动为低电平来延长传输。当 PREADY 保持低电平期间，以下信号必须保持不变：

  • 地址PADDR
  • 写信号PWRITE
  • 选择信号PSEL
  • 使能信号PENABLE
  • 写数据PWDATA
  • 写选通PSTRB
  • 保护类型PPROT

当 PENABLE 为低电平时，PREADY 可以取任意值。这确保了访问时间固定为两个周期的外设可以将 PREADY 直接接高电平。

注意
建议地址信号和写信号在一次传输结束后不要立即改变，而应保持稳定直到下一次访问发生。这可以降低功耗。

3.2 写选通

写选通信号PSTRB使得写数据总线上可以进行稀疏数据传输（sparse data transfer）。每个写选通信号对应写数据总线的一个字节。当写选通被置为高电平（有效）时，表示写数据总线上对应的字节通道包含有效信息。

写数据总线每 8 位对应一个写选通信号，因此 PSTRB[n] 对应于 PWDATA[(8n + 7):(8n)]。图 3-3 展示了在 32 位数据总线上的这种对应关系。

图 3-3 字节通道映射

注意
对于读传输，总线主设备（bus master）必须将 PSTRB 的所有位驱动为低电平。

3.3 读传输

本节描述两种类型的读传输：

  • 无等待状态的读传输
  • 带等待状态的读传输

3.3.1 无等待状态的读传输

图 3-4 展示了一次读传输。地址、写、选择和使能信号的时序与 3.1 节"写传输"中的描述相同。从设备必须在读传输结束之前提供数据。

图 3-4 无等待状态的读传输

3.3.2 带等待状态的读传输

图 3-5 展示了PREADY信号如何延长传输。如果在访问阶段 PREADY 被驱动为低电平，传输即被延长。协议保证以下信号在延长的周期内保持不变：

  • 地址PADDR
  • 写信号PWRITE
  • 选择信号PSEL
  • 使能信号PENABLE
  • 保护类型PPROT

图 3-5 展示了使用 PREADY 信号增加两个周期的情形。但实际上可以增加任意数量的额外周期（从零个起）。

图 3-5 带等待状态的读传输

3.4 错误响应

您可以使用PSLVERR来指示 APB 传输上的错误条件。读事务和写事务都可能发生错误条件。

PSLVERR 仅在 APB 传输的最后一个周期内被认为有效，即当PSEL、PENABLE 和 PREADY 全部为高电平时。

建议（但非强制）在 PSLVERR 不被采样时将其驱动为低电平，即当 PSEL、PENABLE 或 PREADY 中任何一个为低电平时。

收到错误响应的事务可能、也可能没有改变外设的状态。这取决于具体外设，两种行为都是可以接受的。当一次写事务收到错误时，并不意味着外设内部的寄存器一定未被更新。收到错误的读事务可能返回无效数据——协议不要求外设在读错误时将数据总线驱动为全 0。

APB 外设不要求必须支持 PSLVERR 引脚，对现有和新的 APB 外设设计均如此。若外设不包含该引脚，则 APB 桥的相应输入应接低电平。

3.4.1 写传输

图 3-6 展示了一次以错误完成的失败写传输示例。

图 3-6 失败的写传输示例

3.4.2 读传输

读传输也可以以错误响应完成，表示没有有效的读数据可用。图 3-7 展示了一次以错误响应完成的读传输。

图 3-7 失败的读传输示例

3.4.3 PSLVERR 的映射

进行桥接时：

  • 从 AXI 到 APB：APB 错误被映射回 RRESP/BRESP = SLVERR。其实现方式是：对于读操作将 PSLVERR 映射到 AXI 信号 RRESP[1]，对于写操作映射到 BRESP[1]。
  • 从 AHB 到 APB：对于读和写操作，PSLVERR 均被映射回 HRESP = ERROR。其实现方式是将 PSLVERR 映射到 AHB 信号 HRESP[0]。

3.5 保护单元支持

为了支持复杂的系统设计，互连结构和系统中的其他设备通常都需要针对非法事务提供保护。对于 APB 接口，这种保护由PPROT[2:0]信号提供。

三个级别的访问保护如下：

普通或特权（Normal or privileged），PPROT[0]

  • LOW（低电平）表示普通访问（normal access）
  • HIGH（高电平）表示特权访问（privileged access）

某些主设备使用该位来指示其处理模式。特权处理模式通常在系统中拥有更高的访问级别。

安全或非安全（Secure or non-secure），PPROT[1]

  • LOW（低电平）表示安全访问（secure access）
  • HIGH（高电平）表示非安全访问（non-secure access）

该位用于需要对处理模式进行更细致区分的系统。

注意
该位的配置约定为：当它为 HIGH 时，事务被视为非安全（non-secure）；为 LOW 时，事务被视为安全（secure）。

数据或指令（Data or Instruction），PPROT[2]

  • LOW（低电平）表示数据访问（data access）
  • HIGH（高电平）表示指令访问（instruction access）

该位指示事务是数据访问还是指令访问。

注意
此指示仅作为提示（hint）提供，并非在所有情况下都准确。例如，当事务同时包含指令和数据项的混合时。建议默认将访问标记为数据访问，除非明确知道它是指令访问。

表 3-1 总结了 PPROT[2:0] 信号的编码。

表 3-1 保护编码

PPROT 位保护级别
[0]1 = 特权访问（privileged access）；0 = 普通访问（normal access）
[1]1 = 非安全访问（nonsecure access）；0 = 安全访问（secure access）
[2]1 = 指令访问（instruction access）；0 = 数据访问（data access）

注意
PPROT 的主要用途是作为安全（Secure）或非安全（Non-secure）事务的标识符。对 PPROT[0] 和 PPROT[2] 标识符采用不同的解释方式是可以接受的。

第 4 章 操作状态

本章描述 AMBA APB 的操作状态，包含以下小节：

  • 4.1 操作状态

4.1 操作状态

图 4-1 展示了 APB 的操作活动。

图 4-1 状态图

状态机经过以下状态运行：

  • IDLE（空闲）
    这是 APB 的默认状态。

  • SETUP（建立）
    当需要传输时，总线进入 SETUP 状态，在该状态下相应的选择信号PSELx被置为有效。总线在 SETUP 状态只保持一个时钟周期，并且总是在时钟的下一个上升沿进入 ACCESS 状态。

  • ACCESS（访问）
    使能信号PENABLE在 ACCESS 状态被置为有效。地址、写、选择和写数据信号必须在从 SETUP 到 ACCESS 状态的转换期间保持稳定。

    从 ACCESS 状态的退出由从设备的PREADY信号控制：

    • 如果从设备将PREADY保持为低电平，则外设总线保持在 ACCESS 状态。
    • 如果从设备将PREADY驱动为高电平，则退出 ACCESS 状态：如果不再需要更多传输，总线返回 IDLE 状态；如果紧随其后有另一次传输，总线则直接进入 SETUP 状态。

附录 A 修订记录

本附录描述本书各发布版本之间的技术变更。

表 A-1 版本 A

变更位置影响范围
首次发布——

表 A-2 版本 A 与版本 B 之间的差异

变更位置影响范围
新增 APB 信号 PREADY表 2-1（APB 信号描述）；3.1 节"写传输"；3.3 节"读传输"；3.4 节"错误响应"；4.1 节"操作状态"所有修订版本
新增 APB 信号 PSLVERR表 2-1（APB 信号描述）；3.4 节"错误响应"所有修订版本

表 A-3 版本 B 与版本 C 之间的差异

变更位置影响范围
新增一节，列出本文档每次修订时对本规范所做的变更1.2 节"APB 修订版本"—
新增 APB 信号 PPROT表 2-1（APB 信号描述）；3.5 节"保护单元支持"所有修订版本
新增 APB 信号 PSTRB表 2-1（APB 信号描述）；3.2 节"写选通"所有修订版本

译者说明

  1. 本文档为 ARM IHI 0024C（AMBA APB Protocol Specification v2.0）的完整中文翻译，仅供学习参考，不保证与原文具有同等法律效力；正式设计请以 ARM 英文原文为准。
  2. 原文中的时序图（图 3-1 至图 3-7、图 4-1）在本文中以 ASCII 示意图重绘，仅示意信号跳变关系，精确时序请以原文图示为准。
  3. 信号名（PCLK、PADDR、PSELx 等）、协议名（AMBA、APB、AHB、AXI）及关键术语首次出现时保留英文原名，便于对照。