2.5 Cortex-M4 总线体系

2.5.1 系统总线概述

系统总线是系统中连接主要部件并进行数据通信的通道，是一组信号线的集合，是外设系统与处理器系统直接传输信息的公共通道。系统总线具有物理特性、功能特性、电气特性和时间特性等，这些特性和规范由总线协议定义。

系统总线从功能上分，主要分以下几类：

①数据总线（DB）：一般是指在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。在STM32F40x系列芯片中，D总线是从内核引出，并连接到总线矩阵，从而实现内核数据与RAM数据之间的通信。

②地址总线（AB）：用来指定在RAM（Random Access Memory）中储存的数据地址。

③控制总线（CB）：将微处理器控制单元（Control Unit）的信号传送到周边设备。在STM32F4xx系列芯片中，I总线由内核控制单元引出，与总线矩阵连接起来，传输控制指令。

④扩展总线（EB）：外部设备和计算机主机进行数据通信的总线，如ISA总线、PCI总线、STM32F4xx系列芯片中的S总线等。

按照信息传输设备的位置来分，系统总线还可以分为内部总线和外部总线；按照总线的时间和空间特点来分，还可以分为串行总线和并行总线。

2.5.2 ARM总线结构

1）AHB总线

AHB总线是一种专为高性能同步传输设计的高速总线，层次高于APB（Advance Peripheral Bus）总线，AHB总线可以连接 16 个主设备和任意多个从设备，若主设备多于 16，则通过增加层结构，形成多层的AHB来扩展。AHB总线有以下特性：

①突发传输。

②主设备单时钟周期传输。

③单时钟沿操作。

④非三态实现。

⑤宽数据总线配置（64/128 bit）。

典型的AHB总线系统包括可支持高带宽传输的主干总线、AHB主设备（如高性能CPU和DMA设备等）、AHB从设备（存储器和APB桥等）。典型的AHB总线连接图如图2.8所示。

2）APB总线

APB是AMBA总线的一部分，是一种优化的、低功耗的、精简接口总线，可以连接多种不同慢速外设；主要应用在低带宽的外设上，如UART，I ² C，它的架构不像AHB总线是多主设备的架构，APB总线的唯一主设备是APB桥（与AXI或APB相连），因此不需要仲裁一些Re quest/Grant信号。APB总线协议包含一个APB桥，它用来将AHB，ASB总线上的控制信号转化为APB从设备控制器上的可用信号。APB总线上所有的外设都是从设备，这些从设备有以下特点：

①接收有效的地址和控制访问。

②当APB上的外设处于非活动状态时，可以将这些外设处于 0 功耗状态。

③译码器可以通过选通信号，提供输出时序（非锁定接口）。

④访问时可执行数据写入。

2.5.3 Cortex-M4 总线接口

Cortex-M4 除了内核内部总线，还有连接外设的总线，这些连接外设的总线基于AHB和APB总线协议，并从Cortex-M4 内核引出，构成了总线矩阵，如图2.9 所示为STM32F4xx系列芯片的总线矩阵。

主系统由 32 位多层AHB总线矩阵构成。总线矩阵用于主控总线之间的访问仲裁管理。仲裁采取循环调度算法。总线矩阵可实现以下部分互联：8 条主控总线分别是Cortex-M4 内核引出的I总线、D总线、S总线、DMA1 存储器总线、DMA2 存储器总、DMA2 外设总线、以太网DMA总线、USB OTG HS DMA总线。7 条被控总线分别是：内部Flash I-Code总线、内部Flash D-Code总线、主要内部SRAM1（112 kB）、辅助内部SRAM2（16 kB）、辅助内部SRAM3（64 kB）（仅适用于STM32F42xx和STM32F43xx系列器件）、AHB1 外设和AHB2 外设。主控总线的描述见表2.10。

需要注意的是，在基于STM32F4xx系列芯片的系统架构中，APB总线又分为APB1 和APB2，并且挂载了不同的外设，而大多数外设都挂在了AHB，APB1 和APB2 总线上，由于它们的访问速度不同，因此，访问这些外设时需要对这些总线的时钟进行配置，相关内容将在后面章节讨论。如图2.10 所示为STM32F4xx系列芯片的系统架构图。