解讀AXI總線系統中的多交易操作應用

本文以解讀AXI協議中的多交易操作部分為目的而展開介紹，首先介紹了AXI協議基本概念中與多交易操作相關的概念，之后對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

基本互聯結構

AXI總線系統由Master、Slave和Interconnect等基本器件搭建而成，器件間的互聯方式如下圖所示：

通道分離

AXI協議定義了5個獨立的通道，每個通道通過VALID和READY信號完成握手機制。五個通道分別為：讀地址通道、讀數據通道、寫地址通道、寫數據通道和寫響應通道。讀交易通道結構如下圖所示：

寫交易通道結構如下圖所示：

讀寫交易中握手信號的依賴關系

讀交易中握手信號的依賴關系如下圖所示：

寫交易中握手信號的依賴關系如下圖所示：

注：單箭頭指向的信號可以在指向它的信號未使能或使能后，它再使能；雙箭頭指向的信號必須在指向它的信號全都使能后，它再使能。

獨立的交易ID

通過接口的每次交易都有一個ID標簽且五個通道均具備傳遞ID標簽的能力。

2、多交易中的“out of order”概念

“out of order”即亂序傳輸。

協議基本規定

在猝發讀模式中，相同交易ID的Slave應依據地址發送順序返回對應讀數據；在猝發寫模式中，相同交易ID的Master應依據地址發送順序發送對應寫數據；不同ID的交易間，不同交易的讀寫命令與命令對應的讀寫數據間無順序限制。

亂序傳輸的示意案例

二猝發的讀交易亂序傳輸示意圖如下圖所示：（其中Master先發出讀命令RCMD1，后發出讀命令RCMD2，但Slave先返回了RCMD2對應的讀數據RDATA2_1和RDATA2_2）

二猝發的寫交易亂序傳輸示意圖如下圖所示：（其中Master先發出寫命令WCMD1，后發出寫命令WCMD2，但Master先發出了寫命令WCMD2對應的寫數據WDATA2_1和WDATA2_2）

亂序傳輸的優勢

“out of order”技術保證響應較快的存儲區域不必等待響應較慢的存儲區域，降低了交易延時，從而提高了系統性能表現。

3、多交易中的“interleaving”概念

“interleaving”即交錯傳輸。

協議基本規定

在猝發讀模式中，不同交易ID的Slave返回數據間允許交錯傳遞；在猝發寫模式中，不同交易ID的Master寫入數據間允許交錯傳遞。（此項只在AXI3協議中生效）

交錯傳輸的示意案例

二猝發的讀交易交錯傳輸示意圖如下圖所示：（其中Master先后發出讀命令RCMD1和RCMD2，Slave依據時間先后，交錯返回了RDATA2_1、RDATA1_1、RDATA2_2、RDATA1_2等讀數據）

二猝發的寫交易交錯傳輸示意圖如下圖所示：（其中Master先后發出寫命令WCMD1和WCMD2，Master依據時間先后，交錯寫入了WDATA2_1、WDATA1_1、WDATA1_2、WDATA2_2等寫數據）

交錯傳輸的優勢

在讀交易下，“interleaving”技術保證了不同響應狀況的Slave在傳遞讀數據時能最大化利用互聯帶寬；在寫交易下，當Master單此猝發傳輸的寫數據來自速度不同的存儲單元時，“interleaving”技術能夠提升互聯帶寬的利用率。

4、多交易中的“outstanding”概念

“outstanding”即待處理的傳輸。

協議基本規定

AIX總線系統支持同時發布多個未完成的交易地址。

待處理傳輸的優勢

“outstanding”技術意味著Masters可以不需等待上一交易完成便可發布交易地址，因而使能了總線系統平行處理多個交易的能力，進而提高了系統性能。

=============================================================================

AXI事務ID與outstanding/out of oreder/interleaving實現關系

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AXI哪一路實現的，以及需要注意和說明的地方是什么。

here is the analysis.

超前傳輸 outstanding的實現

outstanding是什么

outstanding表示AXI超前傳輸的特性，表示這筆transaction還沒完成，可以先提起別的事務，這么說如果抽象的話，那么就是AR/AWchannel可以提起多個事物，即便在W/R channel數據還沒發完或者還沒發的情況下。

超前傳輸是如何實現的？

在不考慮其他兩個特性（亂序和交織）的情況下，AXI事務都是順序完成的，這時多事務在途不需要其他信號來實現，直接根據write channel或者read channel的LAST信號或者response channel的信號來判斷分割事務就可以了。可以認為是一種隊列或FIFO結構，AR/AWchannel發起事務就是順序壓入隊列，當這些事務對應完成的時候，就最提起事務先彈出隊列，表示結束，然后接收完成后面的事務。

超前傳輸的可支持性

超前傳輸需要master和slave都支持超前傳輸，其中outstanding depth表示了主機超前傳輸的性能，表示同一時刻最多支持多少個AXI 事務在途。

如果slave不支持outstanding如何響應？

AXI 從機可選地支持超前傳輸，假設從機不支持超前傳輸，只需要在接收到 Trans0 后，置低 AxREADY 信號，阻止主機超前傳輸。在返回讀數據后，再置高 AxREADY 信號，接收下一事務。如下圖所示，主機將 Trans1 保持在總線上直至從機接收。

亂序 out of order的實現

out of order亂序是什么？

當有多個事務在途的時候，有的事務可能先準備好，因此可以先發送在總線上。那就需要面對一個問題，如何判斷返回的是哪個事務的數據？這就與AXI的事務ID有關

AXI的事務ID

AXI的事務ID包含了：

AWID

WID (只有AXI3有，AXI4沒有，因此不支持寫交織)

BID

ARID

RID

AXI out of order亂序的實現模型與思路

AXI亂序的特性是由地址channel和響應channel上的ID信號AWID/ARID和WID/RID來實現的，根據ID不同來標識事務不同，但是并不代表不同事務傳輸AWID/ARID就已經要不同

不同事務的AxID如果一致，那么這些事務就不能實現out of order，只能進行順序完成。（因此需要重排序模型，重排序模型包括了事務緩沖區和數據緩沖區，事務緩沖區存放在途需要完成的事務，對于slave來說，其可能對于不同事務完成的時間不同，因此事務準備好了與事務緩沖區的首個事務比較，如果匹配就輸出，如果不匹配就進入數據緩沖區）

如果不同事務AxID不同，那么這些事務之間可以亂序。那么不同AxID事務的數據，對于AXI讀來說，如何判斷返回的數據屬于哪個事務呢，是通過RID來進行匹配的，也就是說，在完成亂序傳輸的時候，需要RID和ARID保持一致，以標識不同事務的數據

那么對于實際情況來說，在實際傳輸中，可能有的事務AxID是不同的，有的是相同的，這是如何解決的？答：對于ID相同的就順序完成，對于ID不同的可以亂序。

在實際應用中，在slave的實現中，為每個ARID準備了一個事務緩沖區和數據緩沖區，以支持相同ID和不同ID的數據順序傳輸和亂序傳輸。

有關于寫亂序

有一個重要的觀點，寫亂序不是針對于master來說的，說的不是不同事務發送的順序可以不一樣（即事務A先發起，事務B后發起，先發B事務的數據然后再發A事務的數據，如此叫做亂序，這種觀點是錯誤的！）

寫亂序指的是：亂序是針對slave來說的，slave接收到了多個事務（可能是多個master傳輸來的事務）那么slave返回BID的順序與發送過來的AWID順序是不同的，這叫做寫亂序，如圖所示，slave對于寫事務的完成（響應）可以是亂序的，稱之為寫亂序，寫亂序實際上指的是寫響應亂序。

對應寫事務亂序跟讀事務也是相同的

通過BID和AWID來表示數據所屬事務

AXI interleaving 交織的實現

什么是交織？

interleaving表示不同事務的數據可以被打散混合排列（但是注意，這里說的混合排列是不同事務間的，同一個是數據是不循序被打亂的）。例如事務1數據是0a 0b，事務2數據是1a 1b，如果不支持交織，那么總線上數據的傳輸需要是0a0b1a1b或者1a1b0a0b，如果支持交織的話那么就可以是0a1a0b1b（或者別的插入順序）

交織的實現

對于讀交織來說，讀事務的response方向和讀方向的相同的，不同事務交織是通過RID來進行識別的，也就是說RID在AXI傳輸中即起到了out of order亂序的不同事務識別也起到了interleaving交織中不同事務數據的識別