解讀AXI總線(xiàn)系統(tǒng)中的多交易操作應(yīng)用

本文以解讀AXI協(xié)議中的多交易操作部分為目的而展開(kāi)介紹，首先介紹了AXI協(xié)議基本概念中與多交易操作相關(guān)的概念，之后對(duì)多交易操作所涉及的“outstanding”、“out of order”和“interleaving”等重要概念做了基本解讀。

1、AXI基本概念

基本互聯(lián)結(jié)構(gòu)

AXI總線(xiàn)系統(tǒng)由Master、Slave和Interconnect等基本器件搭建而成，器件間的互聯(lián)方式如下圖所示：

通道分離

AXI協(xié)議定義了5個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道通過(guò)VALID和READY信號(hào)完成握手機(jī)制。 五個(gè)通道分別為：讀地址通道、讀數(shù)據(jù)通道、寫(xiě)地址通道、寫(xiě)數(shù)據(jù)通道和寫(xiě)響應(yīng)通道。 讀交易通道結(jié)構(gòu)如下圖所示：

寫(xiě)交易通道結(jié)構(gòu)如下圖所示：

讀寫(xiě)交易中握手信號(hào)的依賴(lài)關(guān)系

讀交易中握手信號(hào)的依賴(lài)關(guān)系如下圖所示：

寫(xiě)交易中握手信號(hào)的依賴(lài)關(guān)系如下圖所示：

注：?jiǎn)渭^指向的信號(hào)可以在指向它的信號(hào)未使能或使能后，它再使能；雙箭頭指向的信號(hào)必須在指向它的信號(hào)全都使能后，它再使能。

獨(dú)立的交易ID

通過(guò)接口的每次交易都有一個(gè)ID標(biāo)簽且五個(gè)通道均具備傳遞ID標(biāo)簽的能力。

2、多交易中的“out of order”概念

“out of order”即亂序傳輸。

協(xié)議基本規(guī)定

在猝發(fā)讀模式中，相同交易ID的Slave應(yīng)依據(jù)地址發(fā)送順序返回對(duì)應(yīng)讀數(shù)據(jù)； 在猝發(fā)寫(xiě)模式中，相同交易ID的Master應(yīng)依據(jù)地址發(fā)送順序發(fā)送對(duì)應(yīng)寫(xiě)數(shù)據(jù)； 不同ID的交易間，不同交易的讀寫(xiě)命令與命令對(duì)應(yīng)的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)間無(wú)順序限制。

亂序傳輸?shù)氖疽獍咐?/p>

二猝發(fā)的讀交易亂序傳輸示意圖如下圖所示： （其中Master先發(fā)出讀命令RCMD1，后發(fā)出讀命令RCMD2，但Slave先返回了RCMD2對(duì)應(yīng)的讀數(shù)據(jù)RDATA2_1和RDATA2_2）

二猝發(fā)的寫(xiě)交易亂序傳輸示意圖如下圖所示： （其中Master先發(fā)出寫(xiě)命令WCMD1，后發(fā)出寫(xiě)命令WCMD2，但Master先發(fā)出了寫(xiě)命令WCMD2對(duì)應(yīng)的寫(xiě)數(shù)據(jù)WDATA2_1和WDATA2_2）

亂序傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

“out of order”技術(shù)保證響應(yīng)較快的存儲(chǔ)區(qū)域不必等待響應(yīng)較慢的存儲(chǔ)區(qū)域，降低了交易延時(shí)，從而提高了系統(tǒng)性能表現(xiàn)。

3、多交易中的“interleaving”概念

“interleaving”即交錯(cuò)傳輸。

協(xié)議基本規(guī)定

在猝發(fā)讀模式中，不同交易ID的Slave返回?cái)?shù)據(jù)間允許交錯(cuò)傳遞； 在猝發(fā)寫(xiě)模式中，不同交易ID的Master寫(xiě)入數(shù)據(jù)間允許交錯(cuò)傳遞。（此項(xiàng)只在AXI3協(xié)議中生效）

交錯(cuò)傳輸?shù)氖疽獍咐?/p>

二猝發(fā)的讀交易交錯(cuò)傳輸示意圖如下圖所示： （其中Master先后發(fā)出讀命令RCMD1和RCMD2，Slave依據(jù)時(shí)間先后，交錯(cuò)返回了RDATA2_1、RDATA1_1、RDATA2_2、RDATA1_2等讀數(shù)據(jù)）

二猝發(fā)的寫(xiě)交易交錯(cuò)傳輸示意圖如下圖所示： （其中Master先后發(fā)出寫(xiě)命令WCMD1和WCMD2，Master依據(jù)時(shí)間先后，交錯(cuò)寫(xiě)入了WDATA2_1、WDATA1_1、WDATA1_2、WDATA2_2等寫(xiě)數(shù)據(jù)）

交錯(cuò)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

在讀交易下，“interleaving”技術(shù)保證了不同響應(yīng)狀況的Slave在傳遞讀數(shù)據(jù)時(shí)能最大化利用互聯(lián)帶寬； 在寫(xiě)交易下，當(dāng)Master單此猝發(fā)傳輸?shù)膶?xiě)數(shù)據(jù)來(lái)自速度不同的存儲(chǔ)單元時(shí)，“interleaving”技術(shù)能夠提升互聯(lián)帶寬的利用率。

4、多交易中的“outstanding”概念

“outstanding”即待處理的傳輸。

協(xié)議基本規(guī)定

AIX總線(xiàn)系統(tǒng)支持同時(shí)發(fā)布多個(gè)未完成的交易地址。

待處理傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

“outstanding”技術(shù)意味著Masters可以不需等待上一交易完成便可發(fā)布交易地址，因而使能了總線(xiàn)系統(tǒng)平行處理多個(gè)交易的能力，進(jìn)而提高了系統(tǒng)性能。

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AXI事務(wù)ID與outstanding/out of oreder/interleaving實(shí)現(xiàn)關(guān)系

前言

眾所周知，AXI3/AXI4支持outstanding/out of order/ interleaving的特性，但是這一特性是根據(jù)AXI哪一路實(shí)現(xiàn)的，以及需要注意和說(shuō)明的地方是什么。

here is the analysis.

超前傳輸 outstanding的實(shí)現(xiàn)

outstanding是什么

outstanding表示AXI超前傳輸?shù)奶匦?，表示這筆transaction還沒(méi)完成，可以先提起別的事務(wù)，這么說(shuō)如果抽象的話(huà)，那么就是AR/AWchannel可以提起多個(gè)事物，即便在W/R channel數(shù)據(jù)還沒(méi)發(fā)完或者還沒(méi)發(fā)的情況下。

超前傳輸是如何實(shí)現(xiàn)的？

在不考慮其他兩個(gè)特性（亂序和交織）的情況下，AXI事務(wù)都是順序完成的，這時(shí)多事務(wù)在途不需要其他信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，直接根據(jù)write channel或者read channel的LAST信號(hào)或者response channel的信號(hào)來(lái)判斷分割事務(wù)就可以了?？梢哉J(rèn)為是一種隊(duì)列或FIFO結(jié)構(gòu)，AR/AWchannel發(fā)起事務(wù)就是順序壓入隊(duì)列，當(dāng)這些事務(wù)對(duì)應(yīng)完成的時(shí)候，就最提起事務(wù)先彈出隊(duì)列，表示結(jié)束，然后接收完成后面的事務(wù)。

超前傳輸?shù)目芍С中?/p>

超前傳輸需要master和slave都支持超前傳輸，其中outstanding depth表示了主機(jī)超前傳輸?shù)男阅埽硎就粫r(shí)刻最多支持多少個(gè)AXI 事務(wù)在途。

如果slave不支持outstanding如何響應(yīng)？

AXI 從機(jī)可選地支持超前傳輸，假設(shè)從機(jī)不支持超前傳輸，只需要在接收到 Trans0 后，置低 AxREADY 信號(hào)，阻止主機(jī)超前傳輸。在返回讀數(shù)據(jù)后，再置高 AxREADY 信號(hào)，接收下一事務(wù)。如下圖所示，主機(jī)將 Trans1 保持在總線(xiàn)上直至從機(jī)接收。

亂序 out of order的實(shí)現(xiàn)

out of order亂序是什么？

當(dāng)有多個(gè)事務(wù)在途的時(shí)候，有的事務(wù)可能先準(zhǔn)備好，因此可以先發(fā)送在總線(xiàn)上。那就需要面對(duì)一個(gè)問(wèn)題，如何判斷返回的是哪個(gè)事務(wù)的數(shù)據(jù)？這就與AXI的事務(wù)ID有關(guān)

AXI的事務(wù)ID

AXI的事務(wù)ID包含了：

AWID

WID (只有AXI3有，AXI4沒(méi)有，因此不支持寫(xiě)交織)

BID

ARID

RID

AXI out of order亂序的實(shí)現(xiàn)模型與思路

AXI亂序的特性是由地址channel和響應(yīng)channel上的ID信號(hào)AWID/ARID和WID/RID來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)ID不同來(lái)標(biāo)識(shí)事務(wù)不同，但是并不代表不同事務(wù)傳輸AWID/ARID就已經(jīng)要不同

不同事務(wù)的AxID如果一致，那么這些事務(wù)就不能實(shí)現(xiàn)out of order，只能進(jìn)行順序完成。（因此需要重排序模型，重排序模型包括了事務(wù)緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，事務(wù)緩沖區(qū)存放在途需要完成的事務(wù)，對(duì)于slave來(lái)說(shuō)，其可能對(duì)于不同事務(wù)完成的時(shí)間不同，因此事務(wù)準(zhǔn)備好了與事務(wù)緩沖區(qū)的首個(gè)事務(wù)比較，如果匹配就輸出，如果不匹配就進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）

如果不同事務(wù)AxID不同，那么這些事務(wù)之間可以亂序。那么不同AxID事務(wù)的數(shù)據(jù)，對(duì)于AXI讀來(lái)說(shuō)，如何判斷返回的數(shù)據(jù)屬于哪個(gè)事務(wù)呢，是通過(guò)RID來(lái)進(jìn)行匹配的，也就是說(shuō)，在完成亂序傳輸?shù)臅r(shí)候，需要RID和ARID保持一致，以標(biāo)識(shí)不同事務(wù)的數(shù)據(jù)

那么對(duì)于實(shí)際情況來(lái)說(shuō)，在實(shí)際傳輸中，可能有的事務(wù)AxID是不同的，有的是相同的，這是如何解決的？答：對(duì)于ID相同的就順序完成，對(duì)于ID不同的可以亂序。

在實(shí)際應(yīng)用中，在slave的實(shí)現(xiàn)中，為每個(gè)ARID準(zhǔn)備了一個(gè)事務(wù)緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以支持相同ID和不同ID的數(shù)據(jù)順序傳輸和亂序傳輸。

有關(guān)于寫(xiě)亂序

有一個(gè)重要的觀(guān)點(diǎn)，寫(xiě)亂序不是針對(duì)于master來(lái)說(shuō)的，說(shuō)的不是不同事務(wù)發(fā)送的順序可以不一樣（即事務(wù)A先發(fā)起，事務(wù)B后發(fā)起，先發(fā)B事務(wù)的數(shù)據(jù)然后再發(fā)A事務(wù)的數(shù)據(jù)，如此叫做亂序，這種觀(guān)點(diǎn)是錯(cuò)誤的！）

寫(xiě)亂序指的是：亂序是針對(duì)slave來(lái)說(shuō)的，slave接收到了多個(gè)事務(wù)（可能是多個(gè)master傳輸來(lái)的事務(wù)）那么slave返回BID的順序與發(fā)送過(guò)來(lái)的AWID順序是不同的，這叫做寫(xiě)亂序，如圖所示，slave對(duì)于寫(xiě)事務(wù)的完成（響應(yīng)）可以是亂序的，稱(chēng)之為寫(xiě)亂序，寫(xiě)亂序?qū)嶋H上指的是寫(xiě)響應(yīng)亂序。

對(duì)應(yīng)寫(xiě)事務(wù)亂序跟讀事務(wù)也是相同的

通過(guò)BID和AWID來(lái)表示數(shù)據(jù)所屬事務(wù)

AXI interleaving 交織的實(shí)現(xiàn)

什么是交織？

interleaving表示不同事務(wù)的數(shù)據(jù)可以被打散混合排列（但是注意，這里說(shuō)的混合排列是不同事務(wù)間的，同一個(gè)是數(shù)據(jù)是不循序被打亂的）。例如事務(wù)1數(shù)據(jù)是0a 0b，事務(wù)2數(shù)據(jù)是1a 1b，如果不支持交織，那么總線(xiàn)上數(shù)據(jù)的傳輸需要是0a0b1a1b或者1a1b0a0b，如果支持交織的話(huà)那么就可以是0a1a0b1b（或者別的插入順序）

交織的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于讀交織來(lái)說(shuō)，讀事務(wù)的response方向和讀方向的相同的，不同事務(wù)交織是通過(guò)RID來(lái)進(jìn)行識(shí)別的，也就是說(shuō)RID在AXI傳輸中即起到了out of order亂序的不同事務(wù)識(shí)別也起到了interleaving交織中不同事務(wù)數(shù)據(jù)的識(shí)別

對(duì)于寫(xiě)交織來(lái)說(shuō)，由于寫(xiě)方向和response方向不一樣，那么WID就是提供了寫(xiě)交織的不同事務(wù)的識(shí)別，BID提供了亂序不同事務(wù)的識(shí)別。使用與 AWID 匹配的 BID 標(biāo)識(shí)寫(xiě)回復(fù)所屬的事務(wù) ID。實(shí)際上從機(jī)給出寫(xiě)回復(fù)可以類(lèi)比讀事務(wù)中給出讀數(shù)據(jù)的過(guò)程。

總結(jié)

到此為止，介紹了AxID和RID/BID在AXI亂序交織中的作用。

審核編輯：黃飛