MM32F5270總線架構(gòu)設(shè)計(jì)

上一篇文章介紹了 MM32F5 系列 所采用的 “星辰”STAR-MC1 處理器，如果讀者還有印象的話，“星辰”處理器相較于 M3 和 M4 處理器的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是引入了內(nèi)存子系統(tǒng)，包括了L1 指令和數(shù)據(jù)緩存接口和緊耦合 TCM 接口。而僅有內(nèi)存子系統(tǒng)是不夠的，需要配合高效率的總線架構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)其功能最大化。

本期，筆者就來聊聊 MM32F5270 的總線架構(gòu)設(shè)計(jì)，看看 F5270 是如何通過高并行度的總線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐率的最大化。

MM32F5270 的總線架構(gòu)

下圖展示了 MM32F5270 的總線架構(gòu)，可以看到，系統(tǒng)中的處理器、存儲(chǔ)和外設(shè)是通過一個(gè)零延遲 AHB 總線矩陣進(jìn)行互聯(lián)，這里的總線矩陣是一個(gè)多 Master 到多 Slave 的多層 AHB 總線結(jié)構(gòu)。這里，把可發(fā)起讀寫訪問的一方叫做 Master，響應(yīng)訪問的一方叫做 Slave。

注：AHB 屬于 Arm? AMBA? 通信接口協(xié)議的一種，是嵌入式系統(tǒng)中的常用接口協(xié)議之一，對(duì)于不了解 Arm? AMBA? 接口協(xié)議的讀者，可自行搜索相關(guān)資料，本文不再贅述。

總線 Master – 訪問發(fā)起者?

從上圖可以看到，MM32F5270 中包含了如下 AHB 總線 Master：

CPU – “星辰”STAR-MC1

DMA1

DMA2

USB 控制器（USB FS）

以太網(wǎng)控制器（ENET）

其中，“星辰”處理器占據(jù) 三個(gè) AHB 口，分別是系統(tǒng)總線AHBS（system bus），代碼總線 AHBC（code bus），以及 TCM 總線 AHBT（TCM bus）。其中 AHBC 和 AHBS 是處理器發(fā)起訪問，從外部獲取數(shù)據(jù)和指令的通路，而 AHBT 是處理器以外的其它 Master（如 DMA等）訪問內(nèi)部 TCM 的通路，也就是說，TCM 不僅能被 CPU 訪問，外部資源也可以將 TCM 當(dāng)作普通 SRAM 訪問。

其它Master 包括 DMA、USB 和以太網(wǎng)。在 MM32F5270中，為提高系統(tǒng)并行度，配置了兩路獨(dú)立的 DMA 控制器，每個(gè) DMA 控制器包含 8 個(gè)通道，每路 DMA 都可以無需 CPU 干預(yù)而進(jìn)行 Slave 的讀寫訪問。USB 和以太網(wǎng)也可以做為總線 Master 直接發(fā)起對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)的訪問，例如將提前放置在 SRAM 中的數(shù)據(jù)搬移到 TX FIFO 中以實(shí)現(xiàn)無需 CPU 干預(yù)而進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信。

總線 Slave – 訪問響應(yīng)者?

MM32F5270 中包含了如下 AHB 總線 Slave：

256KB 內(nèi)置 Flash 存儲(chǔ)器

112KB SRAM1

16KB SRAM2

QSPI – 可外擴(kuò)四線 NOR Flash

FSMC – 8/16/32 位并口，可外擴(kuò) SRAM，NOR Flash，8080/6800 屏

外設(shè) APB1 組

外設(shè) APB2 組

32KB ITCM和 32KB DTCM – 通過 AHBT 總線訪問

為提高系統(tǒng)并行度，MM32F5270配備了兩路獨(dú)立的 RAM，包括 112KB 的 SRAM1 和 16KB 的 SRAM2，每個(gè) RAM有獨(dú)立的 RAM 控制器和 Slave端口。

此外，MM32F5270 還配備了 32KB 指令 TCM RAM（ITCM）和 32KB 的數(shù)據(jù) TCM RAM（DTCM）。這里， TCM 和 CPU 是通過 TCM 接口直連的，相當(dāng)于一條快速通道，CPU 訪問 TCM 不需要經(jīng)過外部總線矩陣，這也是 TCM 被稱為緊耦合存儲(chǔ)（Tightly-Coupled Memory，TCM）的原因。CPU 訪問 TCM 是沒有任何延遲的，因此也不需要經(jīng)過緩存。同時(shí)，“星辰”處理器也預(yù)留了 AHBT 總線供 DMA 等 CPU 外部 Master 訪問 TCM。這里的 AHBT 總線掛在總線矩陣的 Slave 端，也就是說，DMA 要訪問 TCM 需要先經(jīng)過總線矩陣。當(dāng) DMA 和 CPU 同時(shí)訪問 TCM 時(shí)，“星辰”處理器以 CPU 訪問為高優(yōu)先級(jí)進(jìn)行仲裁。需要說明的是，ITCM 支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)讀取，其起始地址為 0x0000_0000，DTCM 支持?jǐn)?shù)據(jù)讀取，其起始地址為 0x2000_0000。

根據(jù)上述介紹可以得出，MM32F5270 里實(shí)際是配置了 4塊完全獨(dú)立的 RAM，包括 ITCM，DTCM，SRAM1 和 SRAM2，在某些應(yīng)用場(chǎng)景下，這 4 塊 RAM 能夠同時(shí)被不同的 Master 訪問而不會(huì)產(chǎn)生任何的總線沖突和等待。例如，CPU 可以讀取并執(zhí)行ITCM中存放的程序算法，以太網(wǎng)可以從 SRAM2 中讀寫數(shù)據(jù)，DMA1 可以從 DTCM中搬數(shù)據(jù)， DMA2 可以從 SRAM1中搬數(shù)據(jù)，這里的四條通路是完全獨(dú)立和并行的。

MM32F5270還包含了兩路獨(dú)立的 APB 外設(shè)組，即 APB1 和 APB2，每個(gè)外設(shè)組有獨(dú)立的 Slave 端口和AHB到 APB 的協(xié)議轉(zhuǎn)換橋。

與此同時(shí)，用戶還可以通過 FSMC 去外擴(kuò)并口 NOR Flash 或者 SRAM，也可以通過 QSPI 去外擴(kuò)四線式 NOR Flash。且這里的 FSMC 和 QSPI 都是直接掛在零延遲 AHB 總線矩陣上的 AHB Slave，因此其訪問通路是完全獨(dú)立的。當(dāng)然，用戶也可以通過 SPI、UART等串行總線接口來擴(kuò)展更多存儲(chǔ)空間，不過這些外設(shè)都是掛在 APB 總線上，和其它共同掛在 APB 總線的外設(shè)共享總線矩陣的 AHB Slave 端口，因此，可能會(huì)產(chǎn)生多余的等待周期。

需要說明的是，除了 TCM 和外設(shè)空間，從 Code bus 和 System bus 上讀取的指令和數(shù)據(jù)基本上都可以被 4KB 指令緩存和 4KB 數(shù)據(jù)緩存加速。

下表對(duì) MM32F5270 中支持的 Flash 和 RAM 資源做一個(gè)總結(jié)：

并發(fā)網(wǎng)絡(luò)

前文提到的總線結(jié)構(gòu)圖中，Master 和 Slave 的連接關(guān)系通過矩陣網(wǎng)絡(luò)上的空心圓表示，如內(nèi)置 Flash 僅可以被 CPU 的 code bus 或者 DMA 訪問，而不能被其它總線 Master 訪問。

基于上述描述所能達(dá)到的效果就是，多個(gè) Master 可以同時(shí)發(fā)起對(duì)多個(gè)Slave的訪問，如果每條路徑的發(fā)起者（Master）和響應(yīng)者（Slave）都是不同的，那這些訪問是完全并行的，是不需要仲裁和等待周期的。

下圖是一個(gè)并發(fā)訪問的例子，這里，6個(gè)總線 Master 對(duì) 6 個(gè)總線 Slave 的訪問構(gòu)成了 6 個(gè)獨(dú)立通路。當(dāng)然，這里僅僅是一個(gè)極限情況，對(duì)于一個(gè)實(shí)際應(yīng)用所能達(dá)到的并發(fā)效果，需要根據(jù)應(yīng)用需求具體分析。

案例：帶顯示的音頻播放器?

為了更直觀的講解 F5270 多并發(fā)總線設(shè)計(jì)的強(qiáng)大，這里以一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的案例來進(jìn)行展示。需要說明的是，這里的案例僅僅為了講解功能，并不做為參考設(shè)計(jì)。

這里，考慮基于 MM32F5270 制作一個(gè)帶顯示的音頻播放器，這是一種很常見的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)際產(chǎn)品中所包含的功能可能是多種多樣的，這里為了簡(jiǎn)化，以如下規(guī)格要求為例：

可播放 SD 卡上的音頻文件，支持 WAV 和 MP3 格式

2.4寸屏，320x240 分辨率，GUI 交互

注：實(shí)際的產(chǎn)品可能有更多的功能，如更高清的顯示、USB擴(kuò)展、WIFI 或藍(lán)牙聯(lián)網(wǎng)、視頻播放、觸控等，感興趣的讀者可以搜索下網(wǎng)絡(luò)上的相關(guān)產(chǎn)品。

基于這個(gè)要求，可以搭建一個(gè)帶顯示的音頻播放器，根據(jù) MM32F5270 所包含的片內(nèi)資源，對(duì)上述規(guī)格要求做出如下的功能分解和資源分配：

其對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)易系統(tǒng)框圖如下：

分析可知系統(tǒng)的主要功能可以分為三塊：

第一塊是 CPU 處理部分。

首先， CPU 所執(zhí)行的主程序存放在內(nèi)置 256KB Flash 中，而運(yùn)行中所需要內(nèi)存存放在 SRAM1 中，其數(shù)據(jù)通路如下圖中的藍(lán)色箭頭所示；

同時(shí)，CPU 需要從外部 SD 卡讀取音頻文件，這里涉及到文件系統(tǒng)的交互，以及 MP3 軟解碼運(yùn)算，并將解碼后的音頻數(shù)據(jù)存放在 32KB DTCM 中，其數(shù)據(jù)通路如下圖中的黃色箭頭所示；

最后，CPU 需要運(yùn)行 GUI 應(yīng)用程序，包括從外擴(kuò) Flash 中獲取顯示數(shù)據(jù)和字庫，通過 CPU 的運(yùn)算并將待顯示的圖像緩存到外擴(kuò) SRAM 中，其數(shù)據(jù)通路如下圖中的綠色箭頭所示。

第二塊是音頻播放數(shù)據(jù)流控制。

這里，通過 DMA1 來處理音頻數(shù)據(jù)流，DMA1 通過 AHBT 總線從 DTCM 中讀取解碼后的音頻數(shù)據(jù)，并寫入 I2S 的 TX FIFO 中，通過 I2S 和外部的功放通信并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器或耳機(jī)，其數(shù)據(jù)通路如下圖中的紅色箭頭所示。

第三塊是圖像顯示數(shù)據(jù)流控制。

這里，通過 DMA2 來處理圖像顯示數(shù)據(jù)流，DMA2 通過 FSMC 從外部 SRAM 中讀取待顯示圖像，并通過 FSMC 寫入外部 LCD 屏，實(shí)現(xiàn)圖像幀的周期性刷新，其數(shù)據(jù)通路如下圖的紫色箭頭所示。

基于上述分析，將所有路徑進(jìn)行匯總，并刪掉非獨(dú)立路徑后（即兩條路徑有共同發(fā)起者或共同接收者），可得到下圖所示的匯總數(shù)據(jù)通路?？梢钥吹?，主程序的指令獲取和執(zhí)行（藍(lán)色箭頭）、主程序數(shù)據(jù)讀寫（藍(lán)色箭頭）、音頻數(shù)據(jù)流（紅色箭頭）和GUI數(shù)據(jù)流（紫色箭頭）這四條通路是完全獨(dú)立的。假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行在 120MHz，而所有訪問都采用 32 位寬，則可以計(jì)算出此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的并行吞吐率可達(dá) 15Gbps！

當(dāng)然，這里僅僅是一個(gè)精簡(jiǎn)的例子，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，其所需功能可能會(huì)更加復(fù)雜。但重要的是，MM32F5270 的多并發(fā)總線架構(gòu)為各類實(shí)際應(yīng)用中的并行處理場(chǎng)景提供了硬件支持，使系統(tǒng)整體吞吐率有了大幅優(yōu)化的空間。

需要補(bǔ)充說明的是，這個(gè)例子里面并沒有用到 SRAM2 和 ITCM 等資源，因此其可以用作其他用途，如 SRAM2 可以用作 ENET、USB 、CAN 或者 ADC的數(shù)據(jù)緩存，而ITCM 中可以存放對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的算法或中斷服務(wù)程序等。如果把這些功能都開發(fā)起來，則系統(tǒng)吞吐率是否還可以進(jìn)一步提高呢？這個(gè)問題就留給感興趣的讀者來思考吧