高级外设总线 (APB) 接口：架构、协议与应用解析(上)

一、APB 接口的基本概念

高级外设总线 (Advanced Peripheral Bus, APB) 是 ARM 公司开发的一种片上总线协议，属于 AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 总线家族的一部分。APB 专为低带宽、低功耗的外设设计，旨在提供一种简单、高效的方式来连接微控制器中的低速外设，如 UART、GPIO、定时器等。与 AMBA 家族中的其他总线 (如 AHB、AXI) 相比，APB 的设计更为简化，降低了系统的复杂性和功耗，非常适合对成本和功耗敏感的嵌入式系统应用。

APB 的历史发展

APB 最初作为 AMBA 1.0 规范的一部分被引入，旨在为 ARM 处理器提供一种连接低速外设的标准方法。随着嵌入式系统的发展和需求变化，APB 经历了多次修订和改进，目前最新版本是 AMBA 5.0 规范中的 APB5。每个新版本都在保持原有简单性的基础上，增加了一些新特性，如更好的电源管理支持、错误检测机制等，以适应不断变化的应用需求。

APB 在系统中的位置

在典型的嵌入式系统中，APB 通常作为二级总线存在，通过桥接器与系统中的主总线 (如 AHB 或 AXI) 相连。主处理器通过主总线访问高速设备，而低速外设则连接到 APB 总线上，这种分层设计使系统能够同时满足高速和低速设备的需求，优化了系统性能和资源利用。

二、APB 接口的架构设计

基本组成部分

APB 接口主要由以下几个部分组成：

APB 主设备：通常是系统中的处理器或 DMA 控制器，负责发起对从设备的读写操作。

APB 从设备：连接到 APB 总线上的各种外设，如 UART、GPIO、ADC 等，负责响应主设备的请求。

APB 桥接器：用于连接主总线 (如 AHB 或 AXI) 和 APB 总线的组件，负责协议转换和数据传输。

互连结构：包括地址线、数据线和控制信号，用于在主设备和从设备之间传输数据和控制信息。

信号定义

APB 总线定义了一组标准信号，这些信号分为以下几类：

地址和控制信号

PADDR [31:0]：32 位地址线，用于传输主设备要访问的从设备地址。

PSELx：从设备选择信号，每个从设备有一个独立的 PSEL 信号，由主设备驱动。

PENABLE：使能信号，指示当前传输周期是否有效。

PWRITE：写控制信号，高电平表示写操作，低电平表示读操作。

PPROT [2:0]：保护类型信号，用于指示传输的特权级别和安全属性。

数据信号

PWDATA [31:0]：32 位写数据线，用于主设备向从设备写入数据。

PRDATA [31:0]：32 位读数据线，用于从设备向主设备返回读取的数据。

状态信号

PREADY：就绪信号，由从设备驱动，表示当前传输是否完成。

PSLVERR：从设备错误信号，指示传输过程中是否发生错误。

传输机制

APB 采用两阶段传输机制，包括 SETUP 阶段和 ENABLE 阶段：

SETUP 阶段：主设备驱动 PADDR、PSELx、PWRITE 等信号，指示要访问的从设备地址、操作类型等信息。此时 PENABLE 信号为低电平。

ENABLE 阶段：主设备将 PENABLE 信号置高，从设备根据 PADDR 和 PWRITE 信号执行相应的读写操作，并在 PREADY 信号有效时返回数据或状态。

这种两阶段传输机制简化了总线控制逻辑，降低了硬件实现成本，但也限制了 APB 的传输效率，使其更适合低速外设的连接。