CN101676887A

CN101676887A - 一种基于ahb总线结构的总线监听方法及装置

Info

Publication number: CN101676887A
Application number: CN200910163704A
Authority: CN
Inventors: 程旭; 陆俊林; 庞九凤; 佟冬; 施云峰
Original assignee: BEIDA ZHONGZHI MICROSYSTEM SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd BEIJING
Current assignee: Beijing Zhongzhi Core Technology Co Ltd
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: CN101676887B

Abstract

本发明公开了一种基于AHB总线结构的总线监听装置及方法，用于AHB总线结构的单处理器系统，所述总线监听装置设置于存储控制部件与AHB总线之间，用于过滤总线主设备发出的访存请求，在该总线监听装置监听命中影响Cache一致性的访存请求时，通知处理器进行Cache一致性处理，并阻止引发监听命中的访存请求访问所述存储控制部件，直至Cache一致性处理结束。

Description

一种基于AHB总线结构的总线监听方法及装置

技术领域

本发明涉及系统芯片(System-on-Chip，以下简称为SoC)中保证缓存(Cache)一致性的总线监听技术，特别是一种基于AHB(AdvancedHigh-performance Bus)总线结构的单处理器SoC芯片的总线监听方法及装置。

背景技术

半导体工艺的进步和集成电路设计技术的发展，使得在单一芯片上集成整个系统的功能部件成为可能。目前，SoC已经成为当今集成电路的主流技术。SoC结构设计中，保证缓存一致性的方法对于整个系统的性能具有一定的影响。

在处理器中，Cache保存了主存中的数据副本，如果总线上的主设备访问主存，则可能导致Cache中的数据与主存中不一致，产生Cache一致性问题。为了解决Cache一致性问题，可以采用软硬件协同的数据保护措施。常见的保护措施有总线监听，软件冲洗或者直接将总线设备的访存空间设置为不被Cache缓存，即Non-Cacheable。

总线监听技术，即随时监听总线上的访存请求，如果访存请求有可能导致Cache一致性被破坏，比如总线主设备访问某个已经存在于Cache中的主存数据，则通知处理器进行必要的Cache一致性处理，例如将Cache数据回写内存或者将此Cache行置为无效，从而保证Cache一致性。

软件冲洗技术需要Cache提供冲洗(Clean)和无效(Invalidate)等功能，由软件负责在总线主设备进行访存前后进行Cache的冲洗等操作以保证Cache一致性。软件冲洗技术经常需要将整个Cache进行冲洗或无效，因此效率较低，对性能影响较大。

一个更为简单的方法是将总线主设备可能访问的内存空间全部设置为不被Cache缓存，无论是总线主设备还是处理器都直接访问内存中的数据，因此不存在Cache一致性的问题。但是，这样做实际上部分地抛弃了加入Cache获取的性能，对于整个系统的性能影响很大。

由此可见，对于一般的SoC系统，在硬件上实现总线监听机制以保证Cache一致性可以取得较高的性能。

现有技术在嵌入式微处理器领域内取得的巨大成功，使得基于AHB的总线结构成为这一领域内最为广泛采用的总线架构。但是，已有的基于AHB总线结构的SoC主要采用了软件冲洗和设置地址空间为不被Cache缓存等策略，尤其是对于单处理器的总线结构，总线监听技术尚未存在较为成熟的实现方法和实例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于AHB总线结构的总线监听方法及装置，提供了一种高效灵活的总线监听手段，以保证Cache和主存中存储数据的一致性。

为达到上述目的，本发明提供的基于AHB总线结构的总线监听装置，用于AHB总线结构的单处理器系统，其特征在于，所述总线监听装置设置于存储控制部件与AHB总线之间，用于过滤总线主设备发出的访存请求，在该总线监听装置监听命中影响Cache一致性的访存请求时，通知处理器进行Cache一致性处理，并阻止引发监听命中的访存请求访问所述存储控制部件，直至Cache一致性处理结束。

上述基于AHB总线结构的总线监听装置，其特征在于，所述总线监听装置进一步包括：总线监听部件、监听通讯部件、处理器交易分发部件及访存仲裁部件，其中，

该总线监听部件，用于监听总线主设备的访存请求，并在监听命中时通过该监听通讯部件通知处理器进行Cache一致性的处理；

监听通讯部件，用于在该总线监听部件与处理器之间建立通讯；

该处理器交易分发部件，用于发送处理器对主存和总线设备的访问请求；

该访存仲裁部件，用于在所述处理器和总线主设备同时访问所述存储控制部件时，进行处理器与总线主设备访问所述存储控制部件的权限仲裁。

上述基于AHB总线结构的总线监听装置，其特征在于，所述总线监听部件还包括：一地址比较逻辑模块，用于进行输入访存地址与Cacheable地址空间寄存器的比较，并在访存地址处于Cacheable的地址空间内，则输出监听命中信号。

上述基于AHB总线结构的总线监听装置，其特征在于，所述总线监听部件还包括：

第一多路选择器，用于通过选择控制逻辑生成空交易或者选择交易请信号给存储控制部件，实现阻止或允许总线主设备与存储控制部件之间的访存交易；

第二多路选择器，用于通过选择控制逻辑生成SPLIT回应或者选择存储控制部件的输出数据和回应发给总线，实现对总线主设备的回应或总线与存储控制部件的连通。

进一步的，本发明还提供了一种基于AHB总线结构的总线监听方法，通过上述权利要求1～4中任一项所述的总线监听装置实现，其特征在于，包括：

Cache一致性监听步骤，用于通过该总线监听装置监听总线上的主设备的访存请求，过滤可能影响Cache一致性的访存请求；

Cache一致性处理步骤，用于监听命中时，通过该总线监听装置通知处理器进行相应的Cache一致性处理，并阻止引发监听命中的访存请求访问所述存储控制部件，直至Cache一致性处理结束。

上述总线监听方法，其特征在于，所述Cache一致性监听步骤，进一步包括：

对指定的Cacheable地址空间的多组寄存器进行配置，为每组寄存器指定一个Cacheable地址空间；

监听AHB总线上主设备访存请求，判断该访存请求是否影响Cache一致性；

监听命中时，通知处理器进行Cache一致性处理。

上述总线监听方法，其特征在于，所述判断该访存请求是否影响Cache一致性，是要判断访存地址是否处于某个Cacheable地址空间内，如是，则发生监听命中，否则监听不命中。

上述总线监听方法，其特征在于，所述Cache一致性处理步骤，还包括一SPLIT回应步骤，用于在发生监听命中时，通过所述总线监听装置向引发监听命中的访存请求的主设备返回SPLIT回应使该主设备暂停工作；及，在本次Cache一致性处理完成后，引发本次Cache一致性处理的主设备再次访问之前，向其他访存请求的主设备全部返回SPLIT回应，使其他主设备暂停工作。

上述总线监听方法，其特征在于，在Cache一致性处理完成之后，引发本次Cache一致性处理的主设备再次访问之前，访问仲裁部件拒绝该主设备之外的任何设备访问存储控制部件。

上述总线监听方法，其特征在于，在发生监听命中时，总线监听装置的监听部件在等待处理器进行Cache一致性处理的同时，仍然可以接受其他总线主设备的访存请求。

与现有技术相比，本发明提供的基于AHB总线结构的监听方法及装置，具有如下特点：

(1)Cacheable地址空间寄存器可自由配置；

(2)在等待Cache一致性处理的同时仍然可以接受其他总线主设备的访存请求；

(3)通过SPLIT的回应方式保证了每个主设备的访存请求都是有序的；

(4)通过SPLIT的回应方式避免了系统中可能出现的死锁。

基于上述特点，本发明提供了一种高效灵活的总线监听手段，并利用AHB总线独有的SPLIT处理机制解决了AHB总线结构中的Cache一致性问题，以保证Cache和主存中存储数据的一致性。

附图说明

图1为本发明总线监听装置的结构框图及该装置在系统中的位置示意图；

图2为本发明中总线监听部件判断访存地址是否处于Cacheable地址空间内的地址判断逻辑示意；

图3为本发明中总线监听部件对存储控制部件与总线之间交易信号的选择逻辑示意；

图4为本发明总线监听方法的具体实施例流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细描述。

本发明是针对单处理器系统，只有处理器内的Cache保存了主存数据的副本，因此为了保证Cache一致性，只需要监听总线主设备访问主存的请求，对于处理器访问主存的请求不需要进行监听。本发明的实质是在存储控制部件与总线之间加入了总线监听装置来过滤总线主设备发出的访存请求。如果访存请求可能影响Cache一致性，则通知处理器进行Cache一致性处理，并且在一致性处理结束后通知总线监听装置，允许请求访问存储控制部件；如果访存请求不会影响Cache一致性，则总线监听装置允许访存请求直接访问存储控制部件。在本发明的总线监听装置所在的系统中，处理器可以接受外部发送的Cache一致性处理请求，并且可以根据发送请求的类型进行相应的Cache操作，实现Cache一致性的处理。在本发明应用系统中，处理器的访存请求直接发给存储控制部件，不经过总线也不需要进行监听。

参考图1，描述了本发明总线监听装置的基本结构及该装置在系统中的位置，本发明提供的基于AHB总线结构的总线监听装置，是针对AHB总线结构的单处理器系统芯片，总线监听装置10设置于存储控制部件20与AHB总线之间，用于过滤总线主设备1、2......n发出的访存请求，在该总线监听装置10监听命中影响Cache一致性的访存请求时，通知处理器30进行Cache一致性处理，并阻止引发监听命中的访存请求访问存储控制部件20，直至Cache一致性处理结束。

本发明的总线监听装置10进一步包括总线监听处理部件101，监听通讯部件102，处理器交易分发部件103及访存仲裁部件104。其中：总线监听部件10用于监听总线主设备的访存请求，判断该访存请求是否影响Cache一致性，并且通知监听通讯部件102进行Cache一致性的处理。判断访存请求是否影响Cache一致性是要判断访存地址的数据是否可以被Cache缓存(以下简称Cacheable)，即判断访存地址是否处于某个Cacheable地址空间内，此工作由总线监听部件中的地址判断逻辑完成。监听通讯部件102完成与处理器30的通信，在Cache一致性处理结束后通知总线监听部件101。处理器交易分发部件103用于发送处理器30访问主存与访问总线设备的交易请求。对于可能存在的处理器与总线主设备同时访问存储控制部件的请求，由访存仲裁部件104在处理器的访存请求与总线主设备的访存请求之间进行仲裁。当处理器30和总线主设备同时访问存储控制部件20的情况下，需要访存仲裁部件104对处理器30的访存请求与总线主设备访存请求进行访存权限仲裁。特别地，在Cache一致性处理结束后和引发监听命中的主设备再次访问之前，访存仲裁部件104是固定授权给总线设备的，除此以外，权限仲裁都是按照轮询的方式进行的。

如图2所示，为总线监听部件内部的地址判断逻辑，上述总线监听部件还包括一地址比较逻辑模块1011，当输入的比较使能信号为高电平时，该部件进行输入访存地址与Cacheable地址空间寄存器的比较。该装置中，根据初始化时配置的情况，若干组地址空间寄存器1、2、……n指定了一系列的Cacheable地址空间，如果访问地址处于其中的某个空间中，则输出监听命中信号为高电平，表示监听命中；否则为低电平，表示未命中。总线监听部件101根据地址比较逻辑模块1011的输出信号进行下一步的处理。

图3描述了总线监听部件101内部实现总线与存储控制部件20交互的逻辑示意。在总线监听部件101的工作过程中，需要阻止引发监听命中的访存请求访问存储控制部件20，为了向总线设备返回SPLIT回应，也需要向总线上发出一定的信号组合，除此以外，还需要完成总线与存储控制部件20之间的交互。为此，该交互逻辑中实现了两个二选一的多路选择器1012和1013。如果需要阻止总线主设备发往存储控制部件20的访存交易，在多路选择器1012中选择总线监听部件中控制逻辑生成的空交易送给存储控制部件20，实现了对访存请求的过滤；如果允许总线主设备访存存储控制部件20，则在多路选选器1013中选择总线上的交易请求信号送给存储控制部件20，实现了总线与存储控制部件20的连通。同样的，如果需要返回SPLIT回应，则在多路选择器1013中选择控制逻辑生成的SPLIT回应发给总线，实现了对总线主设备的回应；如果允许访问，则在主设备发出请求的下个周期选择存储控制部件20的输出数据和回应发给总线，实现了总线与存储控制部件20的连通。

进一步的，本发明还提供了一种基于AHB总线结构的总线监听方法，通过上述设置于存储控制部件20与AHB总线之间的总线监听装置10实现，包括：

上述Cache一致性监听步骤，进一步包括：

对指定Cacheable地址空间的若干组寄存器进行配置，每组寄存器指定了一个Cacheable的地址空间；监听AHB总线上主设备访存请求；判断该访存请求是否影响Cache一致性。如果访存地址处于Cacheable地址空间外，则监听不命中，总线监听部件允许主设备直接访问存储控制部件，并且在访存完成后继续进行总线监听的工作；如果访问地址空间处于Cacheable空间内，发生监听命中，需要通知处理器进行Cache一致性处理。

上述Cache一致性处理步骤，还包括一SPLIT回应步骤，对于监听命中的情况，总线监听部件向发起本次访问请求的主设备返回SPLIT回应使该主设备暂停工作。然后总线监听部件通知监听通讯部件进行同处理器的交互。在收到监听通讯部件的回应之前，总线监听部件不接受AHB总线上的任何访存请求。监听通讯部件收到通知后，把访问地址等信息发给处理器，并且通知处理器进行Cache一致性处理，再将处理器的回应信号发给总线监听部件，使其在等待Cache一致性处理完成的同时可以接受AHB总线上的其他主设备的访存请求。在等待Cache一致性处理的过程中，如果总线监听部件接受的访存请求没有发生监听命中，则直接发往存储控制部件；如果发生监听命中，则对此次访存请求的主设备返回SPLIT回应，然后继续等待Cache一致性处理结束，同时接受AHB总线上新的访存请求。在Cache一致性处理结束之后，监听通讯部件通知总线监听部件，总线监听部件允许引发本次Cache一致性处理的总线主设备继续工作，等待该主设备的再次访问，如果接到其他主设备的请求则全部返回SPLIT回应。在Cache一致性处理完成之后和接受引发本次Cache一致性处理的主设备再次访问之前，访存仲裁部件不允许除该主设备以外的，包括处理器在内的任何设备访问存储控制部件。总线监听部件在Cache一致性处理完成后如果再次接到该主设备的访存请求，则直接将该请求发给存储控制部件，完成访存交易。在交易完成后，总线监听部件通知所有因为接到SPLIT回应而暂停的主设备继续工作，完成装置对总线的监听与相应处理。

参考图1和图4，详细说明本发明总线监听方法的具体实施方式：在装置启动以后，首先需要系统软件对指定Cacheable地址空间的若干组寄存器进行配置，每组寄存器指定了一个Cacheable的地址空间。在Cacheable地址空间寄存器配置完成后，总线监听部件监听AHB总线上访问主存的请求，判断访存地址的数据是否可以被Cache缓存，即判断访问地址是否处于Cacheable的地址范围之内。Cacheable地址空间的范围通过部件中的若干组寄存器指定，这些寄存器的内容可以在初始化时自由配置，每组寄存器指定一个范围最小为1K的Cacheable地址空间。如果访存地址不在Cacheable的地址空间内，则在下个周期将请求直接发给存储控制部件；如果访存地址在Cacheable的地址空间内，则发生监听命中，需要通知处理器进行Cache一致性处理。此工作由总线监听部件中的地址判断逻辑完成。假设发起该请求的总线主设备为设备1，总线监听部件101向设备1返回SPLIT回应，并且记录下设备1的设备号，设备1接受到SPLIT回应后暂停工作。然后，总线监听部件101把通信请求和访存地址、访存类型等信息发给监听通讯部件102，由监听通讯部件102发给处理器30以进行Cache一致性处理。在等待监听通讯部件102回应的同时，总线监听部件101将发往总线上的准备就绪信号置为低电平，从而阻止所有总线主设备对主存的访问。处理器30接到进行Cache一致性处理的请求后，通过监听通讯部件102将反馈信号发往总线监听部件101，装置进入等待处理器30进行Cache一致性处理的阶段。

在等待Cache一致性处理的过程中，如果装置阻止其他总线主设备对主存的访问，那么处理逻辑会简单很多，但是其缺陷是导致系统性能下降；如果装置允许其他主设备访问主存，可能会出现因为不同主设备的总线优先级不同而导致的死锁，也可能出现某个主设备访存请求的顺序发生改变。这些情况的出现都会导致系统错误，必须要加以避免。在本发明中，该装置采用了总线监听部件101向主设备返回SPLIT回应的方式解决了这个问题。SPLIT是AHB总线所特有的处理机制之一，主设备接到SPLIT回应后会暂停发出请求，直到接到允许继续工作的通知后重新发出请求。对于每个主设备，一旦其发出某次访存请求发生监听命中，这个设备就被暂停工作直到Cache一致性处理结束。Cache一致性处理结束后，引发监听命中的访存请求以及其后续请求被按序发往总线上，保证主设备的请求被按序处理。在等待Cache一致性处理的过程中，总线监听部件101对于其他主设备发出的访存请求，如果不发生监听命中，则允许其直接访存存储控制部件20，以获取更高的性能。假设在等待过程中，总线设备4的访存请求发生监听命中，总线监听部件101对设备4返回SPLIT回应，使设备4暂停发出总线交易请求，并且记录下设备4的设备号，然后返回监听总线的工作状态，等待Cache一致性处理的完成。

当Cache一致性处理完成后，处理器30会通过监听通讯部件102向总线监听部件101发出一致性处理结束信号。总线监听部件101根据其记录的发生监听命中的设备号，允许该总线主设备继续工作，等待其再次访问存储控制部件20；与此同时，对于其他主设备的访存请求，全部返回SPLIT回应并且记录其设备号，同时也阻止处理器30对存储控制部件20的访问。因为在Cache一致性处理结束后，必须保证紧接的访问请求为引起监听命中的访存请求，否则可能会因为处理器30或者其他主设备对主存的访问而导致主存中数据的错误。例如，如果在Cache回写后，处理器30再次对该地址读取数据，会导致该地址的数据再次进入Cache，接下来主设备如果向该地址写入新数据，会导致Cache数据与主存数据不一致而且主存中为最新的数据，处理器30因无法获取内存中的最新数据而出现错误。当引发监听命中的主设备再次访问主存时，总线监听部件101允许其直接访问存储控制部件20，然后解除对处理器30和其他总线主设备访问主存的限制，再根据整个处理过程中记录的所有设备号，将接到SPLIT回应而暂停工作的所有设备恢复正常工作状态。在访存完成后，总线监听部件回到初始工作状态，继续进行监听总线的工作。

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于AHB总线结构的总线监听装置，用于AHB总线结构的单处理器系统，其特征在于，所述总线监听装置设置于存储控制部件与AHB总线之间，用于过滤总线主设备发出的访存请求，在该总线监听装置监听命中影响Cache一致性的访存请求时，通知处理器进行Cache一致性处理，并阻止引发监听命中的访存请求访问所述存储控制部件，直至Cache一致性处理结束。

2、根据权利要求1所述的基于AHB总线结构的总线监听装置，其特征在于，所述总线监听装置进一步包括：总线监听部件、监听通讯部件、处理器交易分发部件及访存仲裁部件，其中，

3、根据权利要求2所述的基于AHB总线结构的总线监听装置，其特征在于，所述总线监听部件还包括：一地址比较逻辑模块，用于进行输入访存地址与Cacheable地址空间寄存器的比较，并在访存地址处于Cacheable的地址空间内，则输出监听命中信号。

4、根据权利要求2所述的基于AHB总线结构的总线监听装置，其特征在于，所述总线监听部件还包括：

5、一种基于AHB总线结构的总线监听方法，通过上述权利要求1～4中任一项所述的总线监听装置实现，其特征在于，包括：

6、根据权利要求5所述的总线监听方法，其特征在于，所述Cache一致性监听步骤，进一步包括：

监听命中时，通知处理器进行Cache一致性处理。

7、根据权利要求6所述的总线监听方法，其特征在于，所述判断该访存请求是否影响Cache一致性，是要判断访存地址是否处于某个Cacheable地址空间内，如是，则发生监听命中，否则监听不命中。

8、根据权利要求1所述的总线监听方法，其特征在于，所述Cache一致性处理步骤，还包括一SPLIT回应步骤，用于在发生监听命中时，通过所述总线监听装置向引发监听命中的访存请求的主设备返回SPLIT回应使该主设备暂停工作；及，在本次Cache一致性处理完成后，引发本次Cache一致性处理的主设备再次访问之前，向其他访存请求的主设备全部返回SPLIT回应，使其他主设备暂停工作。

9、根据权利要求8所述的总线监听方法，其特征在于，在Cache一致性处理完成之后，引发本次Cache一致性处理的主设备再次访问之前，访问仲裁部件拒绝该主设备之外的任何设备访问存储控制部件。

10、根据权利要求6所述的总线监听方法，其特征在于，在发生监听命中时，总线监听装置的监听部件在等待处理器进行Cache一致性处理的同时，仍然可以接受其他总线主设备的访存请求。