Altera FPGA 的 Avalon总线接口规范

参考文档：https://www.intel.com/content/www/us/en/docs/programmable/683525/21-3/eol.html

Avalon总线是一种协议较为简单的片内总线，主要用于连接片内处理器与外设，以构成片上可编程系统（SOPC）。使用Avalon接口能够轻松连接Intel (Altera) FPGA中的各个组件，从而简化了系统设计。Avalon接口常用于高速数据流传输、读写寄存器和存储器、控制片外器件等。此外，也可以使用Avalon接口自定义组件，以增强设计的互操作性。Avalon共有以下七种接口：

Avalon Clock Interface, Avalon时钟接口 -- 驱动或接收时钟信号的接口。
Avalon Reset Interface, Avalon复位接口 -- 驱动或接收复位信号的接口。
Avalon Memory Mapped Interface (Avalon-MM), Avalon存储器映射接口 -- 基于地址的读/写接口，是主-从连接的典型接口。
Avalon Streaming Interface (Avalon-ST), Avalon Streaming接口 --支持单向数据流的接口，包括多数据流、数据包和DSP数据的传输。
Avalon Conduit Interface, Avalon Conduit接口--适用于不适合任何其他Avalon类型的单个/多个信号。使用该接口可以将信号导出到顶层SOPC系统，这样就可以将它连接到设计的其他模块。
Avalon Tri-State Conduit Interface (Avalon-TC), Avalon 三态Conduit接口 -- 与片外设备的接口。多个外设可以通过信号的多路复用共享引脚，从而减少FPGA引脚数和PCB走线数。
Avalon Interrupt Interface, Avalon 中断接口--允许组件向其他组件发送事件信号的接口。

一个组件可以包含多个不同类型的接口，也可以包含多个相同类型的接口。

Avalon接口通过属性（property）描述它们的行为。每种接口类型的规范定义了所有接口的属性和默认值。比如，Avalon-ST接口的maxChannel属性指定接口支持的通道数量，Avalon Clock接口的clockRate属性描述时钟信号的频率。

每个Avalon接口都定义了一系列的信号及其行为，并且多数信号都是可选的，这允许组件设计者能够更加灵活地选择需要的信号类型。例如，Avalon-MM接口包含可选的beginbursttransfer和burstcount信号，用于那些支持突发（bursting）传输的组件。Avalon-ST接口包含可选的startofpacket和endofpacket信号，用于支持数据包的接口。

每种接口都有时序方面的信息，这些时序信息描述了针对单个类型的传输。

注：一般用户只用了Avalon时钟接口、Avalon复位接口、Avalon存储器映射接口和Avalon Conduit接口，下面将着重介绍这四种接口，其余接口请参考请参考Intel FPGA的Avalon Interface Specification文档。

Avalon时钟接口

Avalon时钟接口定义了组件使用的时钟，一个组件可以有时钟输入、时钟输出或时钟输入输出都含有。例如，锁相环（PLL）是一个包含了时钟输入和时钟输出的组件，如图2所示。

PLL Core的时钟输入和输出

Clock Sink信号

Clock sink为其他接口和内部逻辑提供时钟和时序参考，clock sink的属性有clockRate，用来表示clock sink接口的频率（Hz），默认值为0。

表1.1 Clock Sink信号

信号	宽度	方向	必需	描述
clk	1	Input	是	时钟信号，为其他接口和内部逻辑提供时钟和时序参考

表1.2 Clock Sink属性

属性名称	默认值	合法值	描述
clockRate	0	0 ~ 2³²-1	表示clock sink接口的频率(Hz)。如果为0，那么时钟速率支持任何频率。如果为非0，那么当连接的clock source不是指定的频率时Platform Designer会发出一个警告消息。

所有同步接口都有一个associatedClock 属性，该属性指定组件上的哪个时钟源（clock source）用作接口的同步参考，如图所示。

associatedClock属性

Clock Source信号

Clock source接口从一个组件中输出一个时钟信号。clock source有三个属性，associatedDirectClock表示直接驱动该时钟的时钟名称，clockRate表示时钟输出的频率，clockRateKnown指示时钟频率是否已知。

表1.3 Clock Source信号

信号	宽度	方向	必需	描述
clk	1	Output	是	一个输出时钟信号

表1.4 Clock Source属性

属性名称	默认值	合法值	描述
associatedDirectClock	N/A	输入时钟名	直接驱动此时钟输出的时钟输入的名称(如果有)。
clockRate	0	0 ~ 2³²-1	表示驱动时钟输出的频率(Hz)。
clockRateKnown	false	true, false	指示时钟频率是否已知。如果是，那么可以自定义系统中的其他组件。

Avalon复位接口

与Avalon时钟接口类似，Avalon复位接口也分为Reset Sink和Reset Source。

Reset Sink

Reset sink包含两个信号，reset/reset_n和reset_req，reset_req是一个可选的信号。Reset sink有两个属性，associatedClock表示与该接口同步的时钟，synchronous-Edges表示复位所需要的同步类型，NONE表示不需要同步，DEASSERT表示复位是异步的，取消复位是同步的，BOTH表示复位和取消复位都是同步的。所有同步接口都有一个associatedReset属性，用于指定哪个复位信号对接口逻辑进行复位。

表1.5 Reset Sink信号

信号

宽度

方向

必需

描述

reset,

reset_n

Input

是

将接口或组件的内部逻辑复位成用户定义的状态。复位的同步属性由synchronousEdges参数定义。

reset_req

Input

否

复位信号的早期指示。此信号用作ROM原语的待定复位的一个周期警告。使用reset_req 来禁止时钟使能或屏蔽片上存储器的地址总线，在异步复位输入置位时防止地址转变。

表1.6 Reset Sink属性

属性名称

默认值

合法值

描述

associatedClock

N/A

时钟名称

与此接口同步的时钟的名称。如果synchronousEdges的值为DEASSERT或者BOTH，那么需要使用此属性。

synchronous-Edges

DEASSERT

NONE

DEASSERT

BOTH

表明复位输入所需要的同步类型。定义为：

NONE -- 不需要同步，因为组件包含用于复位信号内部同步的逻辑。

DEASSERT -- 复位是异步的，取消复位是同步的。

BOTH –- 复位和取消复位是同步的。

Reset Source

Reset source也是包含两个信号，reset/reset_n和reset_req，reset_req是一个可选的信号。Reset source有四个属性，associatedClock表示与该接口同步的时钟；associatedDirectReset表示复位输入的名称，此复位输入通过one-to-one 链路直接驱动此复位源；associatedResetSinks用来指定复位输入，使复位源对复位进行复位；synchronous-Edges表示复位所需要的同步类型，NONE表示不需要同步，DEASSERT表示复位是异步的，取消复位是同步的，BOTH表示复位和取消复位都是同步的。

表1.7 Reset Source信号

信号

宽度

方向

必需

描述

reset,

reset_n

Output

是

将接口或组件的内部逻辑复位成用户定义的状态。

reset_req

Output

否

使能复位请求生成，这是一个早期信号，在复位之前被置位。一旦置位此信号，在复位完成之前不能置低此信号。

表1.8 Reset Source属性

属性名称	默认值	合法值	描述
associatedClock	N/A	时钟名称	与此接口同步的时钟的名称。如果synchronousEdges的值为DEASSERT或者BOTH，那么需要使用此属性。
associatedDirectReset	N/A	复位名称	复位输入的名称，此复位输入通过one-to-one链路直接驱动此复位源(reset source)。
associatedResetSinks	N/A	复位名称	指定复位输入，使复位源对复位进行复位。例如，reset synchronizer，执行与多个复位输入的OR操作来生成一个复位输出。
synchronous-Edges	DEASSERT	NONE DEASSERT BOTH	表明复位输入所需要的同步类型。以下值定义为： NONE -- 不需要同步，因为组件包含用于复位信号内部同步的逻辑。 DEASSERT -- 复位是异步的，取消复位是同步的。 BOTH –- 复位和取消复位是同步的。

Avalon存储器映射接口

Avalon存储器映射接口主要用于实现主-从（Master-Slave）组件的读写接口，微处理器、存储器、UART、DMA、定时器（Timer）是常用的包含Avalon存储器映射接口的组件。Avalon-MM接口有简单的也有复杂的。例如，SRAM接口有固定周期的读写传输，具有简单的Avalon-MM 接口。能够进行突发传输的流水线接口（pipelined interface）有更为复杂的Avalon-MM接口。

这里我们只介绍简单的Avalon-MM接口，较为复杂的流水线接口请参考Intel FPGA的Avalon Interface Specification文档。

下图是一个典型的系统，图中加亮并画圈的是Avalon-MM slave接口与互连(interconnect)架构的连接。

Avalon-MM Slave传输

下图为16-bit通用I/O外设仅响应写请求，该组件只包含写传输所需的从信号

Avalon-MM Slave组件示例

Avalon存储器映射接口信号及属性

Avalon® Interface Specifications文档的 Table 9 列出了Avalon-MM接口的信号。注意：Avalon规范不要求所有信号都存在于一个Avalon-MM接口中，即当一个接口为Avalon-MM接口时，只包含所需要的某些信号即可。例如，对于只支持读操作（read-only）的接口，最少可只包含readdata信号；对于只支持写操作（write-only）的接口，最少可只有writedata和wrtie信号。

Avalon® Interface Specifications文档的 Table 10 列出了Avalon-MM接口信号的属性。

Avalon-MM典型的读传输和写传输

在介绍Avalon-MM典型的读写传输之前，先来介绍两个基本概念：

传输(Transfer) -- 传输是一个字或者一个或多个符号的数据的读或写操作。传输发生在Avalon-MM 接口与互连之间。传输需要一个或多个时钟周期才能完成。master和slave都是传输的一部分。Avalon -MM master启动传输， Avalon -MM slave作出响应。
Master-slave pair -- 指在一个传输中涉及到master接口和slave接口。在一个传输过程中，master接口控制和数据信号遍历互连架构，并与slave接口进行交互。

下面介绍一个典型的Avalon-MM接口进行读写传输的范例，该接口包含waitrequest信号，通过将waitrequest（高电平有效）信号置为高电平，slave可将互连暂停。

通常，slave在时钟上升沿之后接收address、byteenable、read 或者write和writedata信号，在时钟上升沿之前将waitrequest置为高电平来暂停传输。当slave拉高waitrequest信号时，数据传输被延迟，此时地址线和其他控制信号保持不变。在slave将waitrequest拉低后的第一个时钟上升沿，读写传输完成。

Avalon-MM包含waitrequest的读写传输

Slave可以无期限的拉高waitrequest信号，但是在设计中必须确保slave接口不要无期限的拉高waitrequest信号，以免出现slave一直不响应、master一直等待的现象。图为使用了waitrequest的读传输和写传输。

我们来分析上图中每个数字标注的时刻，Avalon-MM总线上的操作：

1. clk上升沿后，address、byteenable、read信号被置为有效；slave将waitrequest拉高，暂停数据传输。
2. clk上升沿，waitrequest被master采样；由于waitrequest有效，此时处于等待状态(wait-state)，address、read和byteenable保持不变。
3. slave 在clk上升沿之后将waitrequest置为低电平，之后将readdata、responese置为有效。
4. clk上升沿，master检测到waitrequest拉低，捕获readdata、response，读数据传输完成。
5. clk上升沿后，address、writedata、byteenable和write信号被置为有效；slave将waitrequest拉高，暂停数据传输。
6. slave 在clk上升沿之后将waitrequest置为低电平。
7. clk上升沿，slave捕获到writedata，写数据传输完成。

地址对齐

互连仅支持地址对齐的访问方式。Master只能发送其数据位宽倍数的地址。Master可通过拉低byteenable_n的某几位来写入部分数据。例如，向地址2写入2字节的数据时，byteenable_n = 4’b1100。

Avalon-MM寻址

动态地址对齐(Dynamic bus sizing)在不同数据宽度的master-slave对传输期间管理数据。从机数据在主机地址空间中以连续字节的方式对齐。

如果master的数据宽度大于slave的数据宽度，mster地址空间中的字会映射到slave地址空间中的多个位置。例如，32位的master读取16位的slave时，会在slave端进行两次读传输，这两次读传输的地址是连续的。

如果master的数据宽度小于slave的数据宽度时，互连会管理slave的各个字节通道。当master从slave读取数据时，互连只会把相应的字节通道的数据传输给master。当master向slave写数据时，互连会自动将相应字节通道的byteenables信号置为有效。

Slave的数据宽度必须是8、16、32、64、128、256、512 或者1024位。下表列出了32位的master按字访问不同位宽的slave数据时是如何与master对齐的，OFFSET[N]表示slave地址空间字的偏移量。

表1.9

动态地址对齐的Master-Slave之间的地址映射

Avalon Conduit接口

Avalon Conduit接口是那些不适合任何其他Avalon类型的单个/多个信号的集合，使用该接口可以将信号导出到顶层SOPC系统，这样就可以将它连接到设计的其他模块。一个Avalon Conduit接口可以包括输入、输出和双向信号，并且一个模块/组件可以有多个Avalon Conduit接口。管道（Conduit）接口通常用于驱动片外器件信号，比如SDRAM的地址、数据和控制信号线，如下图所示。