总线模块详解

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注意：学习笔记，重点记录，后续会进行修改，参考《从零开始写RISC-V处理器》。

一个没有总线的SOC，处理器核与外设之间的连接是怎样的。可能会如下图所示：

可见，处理器核core直接与每个外设进行交互。假设一个外设有一条地址总线和一条数据总线，总共有N个外设，那么处理器核就有N条地址总线和N条数据总线，而且每增加一个外设就要修改(改动还不小)core的代码。有了总线之后(见本章开头的图2_1)，处理器核只需要一条地址总线和一条数据总线，大大简化了处理器核与外设之间的连接。

目前已经有不少成熟、标准的总线，比如AMBA、wishbone、AXI等。设计CPU时大可以直接使用其中某一种，以节省开发时间。但是为了追求简单，tinyriscv并没有使用这些总线，而是自主设计了一种名为RIB(RISC-V Internal Bus)的总线。RIB总线支持多主多从连接，但是同一时刻只支持一主一从通信。RIB总线上的各个主设备之间采用固定优先级仲裁机制。

RIB总线模块的输入输出信号如下表所示(由于各个主、从之间的信号是类似的，所以这里只列出其中一个主和一个从的信号)：

序号	信号名	输入/输出	位宽(bits)	说明
1	m0_addr_i	输入	32	主设备0读写外设地址
2	m0_data_i	输入	32	主设备0写外设数据
3	m0_data_o	输出	32	主设备0读取到的数据
4	m0_ack_o	输出	1	主设备0访问完成标志
5	m0_req_i	输入	1	主设备0访问请求标志
6	m0_we_i	输入	1	主设备0写标志
7	s0_addr_o	输出	32	从设备0读、写地址
8	s0_data_o	输出	32	从设备0写数据
9	s0_data_i	输入	32	从设备0读取到的数据
10	s0_ack_i	输入	1	从设备0访问完成标志
11	s0_req_o	输出	1	从设备0访问请求标志
12	s0_we_o	输出	1	从设备0写标志

RIB总线本质上是一个多路选择器，从多个主设备中选择其中一个来访问对应的从设备。

RIB总线地址的最高4位决定要访问的是哪一个从设备，因此最多支持16个从设备。

仲裁方式采用的类似状态机的方式来实现，代码如下所示：

... // 主设备请求信号 assign req = {m2_req_i, m1_req_i, m0_req_i}; // 授权主设备切换 always @ (posedge clk) begin if (rst == `RstEnable) begin grant <= grant1; end else begin grant <= next_grant; end end //切换主设备操作，默认是授权给主设备1的，即取指模块。从这里可以知道，从发出总线访问请求后，需要一个时钟周期才能完成切换 // 仲裁逻辑，通过组合逻辑电路来实现优先级仲裁 // 固定优先级仲裁机制 // 优先级由高到低：主设备0，主设备2，主设备1 always @ (*) begin if (rst == `RstEnable) begin next_grant = grant1; //默认授权给主设备1 hold_flag_o = `HoldDisable; end else begin case (grant) grant0: begin//授权给主设备0的情况，通过if、else语句来实现优先级 if (req[0]) begin//主设备0的请求 next_grant = grant0; hold_flag_o = `HoldEnable;//需要暂停流水线 end else if (req[2]) begin//主设备2的请求 next_grant = grant2; hold_flag_o = `HoldEnable;//需要暂停流水线 //此两处暂停流水线，只需要暂停PC阶段，让译码和执行阶段继续执行 end else begin next_grant = grant1; hold_flag_o = `HoldDisable; end end grant1: begin if (req[0]) begin next_grant = grant0; hold_flag_o = `HoldEnable; end else if (req[2]) begin next_grant = grant2; hold_flag_o = `HoldEnable; end else begin next_grant = grant1; hold_flag_o = `HoldDisable; end end grant2: begin if (req[0]) begin next_grant = grant0; hold_flag_o = `HoldEnable; end else if (req[2]) begin next_grant = grant2; hold_flag_o = `HoldEnable; end else begin next_grant = grant1; hold_flag_o = `HoldDisable; end end default: begin next_grant = grant1; hold_flag_o = `HoldDisable; end endcase end end ...

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注意：RIB总线上不同的主设备切换是需要一个时钟周期的，因此如果想要在执行阶段读取到外设的数据，则需要在译码阶段就发出总线访问请求。

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