深入理解AXI協(xié)議中的outstanding/out-of-order/interleaving（二）

深入理解AXI協(xié)議中的outstanding/out-of-order/interleaving（二）
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本文作者：烓圍瑋未。主要從事ISP/MIPI/SOC/車規(guī)芯片設(shè)計/SOC架構(gòu)設(shè)計
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為了詳細了解，outstanding，out-of-order，interleaving對傳輸?shù)挠绊�，下面用枚舉法，把各種情況進行分析。
1. 一個master訪問一個salve
規(guī)則：同一個ID：可以發(fā)送多個outstanding(OST)，但是必須按照順序回來；不同ID: 可以發(fā)送多個OST，不同ID的transaction可以亂序返回；如果不支持outstanding，那么必須等到response返回才能發(fā)下一筆命令。
如果支持outstanding，那么master可以不必等到response返回，連續(xù)發(fā)送命令。



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2.一個master訪問兩個salve
一個master訪問多個slave，必須有中間的BUS/NOC/仲裁器來進行仲裁，SOC中一般使用NOC, 通過不同地址區(qū)分訪問的是slave0還是slave1。這里slave0和slave1的地址不能重疊，否則會導(dǎo)致系統(tǒng)出錯。



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2.1 Master寫
規(guī)則：
同一個ID：可以發(fā)送多個OST，但是必須按照順序回來；
不同ID:可以發(fā)送多個OST, 返回可以亂序；
讀和寫是獨立通道，沒有關(guān)系；
[/ol]2.1.1 Master不支持outstanding
如果master不支持outstanding，那么master必須等待response回來后才能繼續(xù)發(fā)下一個transaction,如下圖所示：



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發(fā)給slave0和slave1的transaction通過綠色和藍色來區(qū)分；
由于命令和響應(yīng)通道（ADDR 和RESP）占的帶寬和時間都非常小，總線主要關(guān)心數(shù)據(jù)通路的效率，目標是讓數(shù)據(jù)通道效率能到達最大。如上圖可以看到，在master不支持outstanding情況下，DATA通路會產(chǎn)生很多空的“氣泡”，使得總線的效率降低。
2.1.2 Master支持outstanding
如果master支持outstanding，這里假設(shè)OST=4, 那么master可以在第一個response返回前，連續(xù)發(fā)送4個命令(ADDR), 如下圖所示：



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master發(fā)給slave0和slave1總共的OST=4,所以必須在master發(fā)了ADDR2到slave0后，必須等待BRESP0返回后，才能繼續(xù)發(fā)送下一個地址（ADDR1），如圖中紅色所示；
由于master能支持OST，可以看到數(shù)據(jù)通路的“氣泡”消失了，總線利用率大大提高，而且對每個命令來說，從發(fā)送到收到BRESP的總時間也減少了。所以至少有以下三個優(yōu)點：
提高了總線利用率；
減少了單個命令的延時；（前提是master能及時發(fā)送命令）
減少了對系統(tǒng)總線的占用時間；
[/ol]2.1.3 Master不支持out-of-order
如果master不支持outstanding，那么必須等待當前命令的response返回，才能發(fā)送下一個命令，所以不存在多個response的out-of-order返回的情況。
所以支持out-of-order的前提是支持outstanding。如果master不支持out-of-order，假設(shè)一種情況如下所示：



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這里雖然發(fā)給slave1的ADDR0(藍色)命令比master發(fā)給slave0的ADDR1(綠色)命令晚，但是由于slave1相應(yīng)比較快，所以藍色的BRESP0比綠色的BRESP1早返回。如圖中兩個箭頭所示。
由于master不支持接受response的out-of-order返回，master只能按照發(fā)送命令的順序來處理
所以slave1的BRESP0返回后，master其實在等待slave0的BRESP1，在沒有處理完slave0的BRESP1前，master是無法處理slave1的BRESP0，所以只能丟掉slave1的BRESP0，或者根據(jù)設(shè)計不同，可能會卡死m(xù)aster。
所以，如果master支持寫outstanding，但是不支持寫response的out-of-order返回，其實是有問題的，要么數(shù)據(jù)丟失，要么master卡死。其實對照AXI協(xié)議我們知道，寫response通道的位寬比較小，只有2~3bit的數(shù)據(jù)，支持寫response的out-of-order的代價其實非常小。
所以，如果AXI master支持寫outstanding，那么必須支持寫response的out-of-order。如果你碰到的master不支持寫response的out-of-order，那這就是一個很差的設(shè)計，你有足夠的理由要求設(shè)計人員重新修改設(shè)計。
順便提一句，有很多設(shè)計人員，甚至是十幾年二十年工作經(jīng)驗的設(shè)計人員，在設(shè)計AXI的master的時候，往往忽略寫response的處理，也就是只要發(fā)送了命令和數(shù)據(jù)，不等寫response返回就認為這筆傳輸已經(jīng)完成了。這是一個非常嚴重的設(shè)計bug，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能確實寫數(shù)據(jù)是不是真的寫到了最后的目的地，比如DDR。對軟件使用造成了很多困擾，這里重點提醒一下。寫response的處理是一個代價非常小的邏輯，在設(shè)計的時候，請務(wù)必考慮到。
2.1.4 Master支持out-of-order
Master支持outstanding和out-of-order情況下，上面的傳輸變成如下圖所示：



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正常傳輸沒有任何影響，只是master需要增加一個BRESP的緩存，把亂序返回的BRESP暫存。
注意：由于AXI4去掉了寫交織，而且寫交織基本沒有設(shè)計會使用，所以這里不討論寫交織的支持情況。
2.2 Master讀
2.2.1 Master不支持outstanding
如果master不支持outstanding，那么master必須等待rdata和response回來后才能繼續(xù)發(fā)下一個transaction,如下圖所示：



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2.2.2 Master支持outstanding
如果master支持outstanding，這里假設(shè)OST=4, 那么master可以在第一個response返回前，連續(xù)發(fā)送4個命令(ADDR), 如下圖所示：



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由于第一個transaction的數(shù)據(jù)在D03處已經(jīng)完成，這時就可以直接發(fā)下一個命令A(yù)DDR1(藍色)了。
2.2.3 Master不支持out-of-order
如果master不支持outstanding，那么必須等待當前命令的rdata和response返回，才能發(fā)送下一個命令，所以不存在多個response的out-of-order返回的情況。
所以支持out-of-order的前提是支持outstanding。如果master讀不支持out-of-order，假設(shè)一種情況如下所示：



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由于master不支持out-of-order，所以必須先處理slave0的D10~D13, master無法處理先從slave1返回的D00~D03數(shù)據(jù)，master要么丟掉這些數(shù)據(jù)，要么master被卡死。
所以master AXI read如果支持outstanding，一般都需要支持讀數(shù)據(jù)返回out-of-order；如果實在碰到master只支持讀outstanding而不支持讀out-of-order，那就需要系統(tǒng)總線或者額外設(shè)計，把送回給master的數(shù)據(jù)進行排序，實現(xiàn)復(fù)雜性比較大，實際中確實也會碰到這種情況。對這種有問題的IP最好的方式還是修改IP。
2.2.4 Master支持out-of-order
Master支持outstanding和out-of-order情況下，上面的傳輸變成如下圖所示：



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對傳輸和帶寬都沒有影響，代價是需要master對返回的數(shù)據(jù)進行重排序或者重新分發(fā)。由于這里有可能需要對rdata進行重排，所以會增加master的開銷。但是相對于系統(tǒng)性能，這個代價是值得的。
2.2.5 Master不支持interleaving
interleaving是一個burst內(nèi)的概念，AXI的rdata可以選擇支持rdata的interleaving，進一步提高性能。如果不支持interleaving，那么一個burst的數(shù)據(jù)必須按照第一個到最后一個為一個整體來返回，如下所示：



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一個burst之內(nèi)的數(shù)據(jù)，必須按照0,1,2,3這樣的順序返回。interleaving主要看slave的返回順序，是否支持主要是slave的能力，但是也需要master支持。
2.2.6 Master支持interleaving
如果在進行AXI Read的時候支持interleaving，那么slave可以把一個burst打亂，只要其他burst的一筆數(shù)據(jù)ready了就可以返回，如下：



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可以看到，burst間插入了其他burst的數(shù)據(jù)，這樣transfer粒度的數(shù)據(jù)就被利用起來了，進一步提高了總線利用率。
但是需要slave和master都要能支持，會增加slave和master的復(fù)雜性，而且會拉長傳輸對系統(tǒng)總線的占用時間。所以個人認為AXI read支持interleaving的優(yōu)勢并不明顯，更好的方式是slave能緩存一個burst的數(shù)據(jù)，一旦開始響應(yīng)master的讀，就連續(xù)的返回一個burst的數(shù)據(jù)。這樣既能提高總線利用率，又能減少對系統(tǒng)總線的占用時間。實際中是否支持AXI read interleaving主要和IP設(shè)計相關(guān)。
到這里，我們并沒有分析中間的BUS，其實實際中，連接master和slave的bus才是關(guān)鍵，下一篇文章會通過分析兩個master訪問兩個slave的情況來進行詳細分析。
后記
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技術(shù)背后的某些思想就是你解決以后問題的鑰匙。我的文章可能一篇中知識點不太多，但是力求讓你能深入理解，為你進階打下基礎(chǔ)。如果有一點點收獲，也算是我對中國芯片行業(yè)的一點點貢獻吧。
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