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

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匿名  發(fā)表于 2024-10-22 11:17:00 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
深入理解AXI協(xié)議中的outstanding/out-of-order/interleaving(二)
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版權(quán)聲明:
本文作者:烓圍瑋未。主要從事ISP/MIPI/SOC/車規(guī)芯片設(shè)計(jì)/SOC架構(gòu)設(shè)計(jì)
首發(fā)于知乎專欄:芯片設(shè)計(jì)進(jìn)階之路
微信公眾號(hào):芯片設(shè)計(jì)進(jìn)階之路(x_chip)
轉(zhuǎn)發(fā)必須授權(quán),同時(shí)保留這段聲明,盜版必究!
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為了詳細(xì)了解,outstanding,out-of-order,interleaving對(duì)傳輸?shù)挠绊,下面用枚舉法,把各種情況進(jìn)行分析。
1. 一個(gè)master訪問(wèn)一個(gè)salve
規(guī)則:同一個(gè)ID:可以發(fā)送多個(gè)outstanding(OST),但是必須按照順序回來(lái);不同ID: 可以發(fā)送多個(gè)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(gè)master訪問(wèn)兩個(gè)salve
一個(gè)master訪問(wèn)多個(gè)slave,必須有中間的BUS/NOC/仲裁器來(lái)進(jìn)行仲裁,SOC中一般使用NOC, 通過(guò)不同地址區(qū)分訪問(wèn)的是slave0還是slave1。這里slave0和slave1的地址不能重疊,否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)。



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2.1 Master寫(xiě)
規(guī)則:
同一個(gè)ID:可以發(fā)送多個(gè)OST,但是必須按照順序回來(lái);
不同ID:可以發(fā)送多個(gè)OST, 返回可以亂序;
讀和寫(xiě)是獨(dú)立通道,沒(méi)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(lái)后才能繼續(xù)發(fā)下一個(gè)transaction,如下圖所示:



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發(fā)給slave0和slave1的transaction通過(guò)綠色和藍(lán)色來(lái)區(qū)分;
由于命令和響應(yīng)通道(ADDR 和RESP)占的帶寬和時(shí)間都非常小,總線主要關(guān)心數(shù)據(jù)通路的效率,目標(biāo)是讓數(shù)據(jù)通道效率能到達(dá)最大。如上圖可以看到,在master不支持outstanding情況下,DATA通路會(huì)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(gè)response返回前,連續(xù)發(fā)送4個(gè)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(gè)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(duì)每個(gè)命令來(lái)說(shuō),從發(fā)送到收到BRESP的總時(shí)間也減少了。所以至少有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn):
提高了總線利用率;
減少了單個(gè)命令的延時(shí);(前提是master能及時(shí)發(fā)送命令)
減少了對(duì)系統(tǒng)總線的占用時(shí)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(dāng)前命令的response返回,才能發(fā)送下一個(gè)命令,所以不存在多個(gè)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(lán)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(lán)色的BRESP0比綠色的BRESP1早返回。如圖中兩個(gè)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(lái)處理
所以slave1的BRESP0返回后,master其實(shí)在等待slave0的BRESP1,在沒(méi)有處理完slave0的BRESP1前,master是無(wú)法處理slave1的BRESP0,所以只能丟掉slave1的BRESP0,或者根據(jù)設(shè)計(jì)不同,可能會(huì)卡死m(xù)aster。
所以,如果master支持寫(xiě)outstanding,但是不支持寫(xiě)response的out-of-order返回,其實(shí)是有問(wèn)題的,要么數(shù)據(jù)丟失,要么master卡死。其實(shí)對(duì)照AXI協(xié)議我們知道,寫(xiě)response通道的位寬比較小,只有2~3bit的數(shù)據(jù),支持寫(xiě)response的out-of-order的代價(jià)其實(shí)非常小。
所以,如果AXI master支持寫(xiě)outstanding,那么必須支持寫(xiě)response的out-of-order。如果你碰到的master不支持寫(xiě)response的out-of-order,那這就是一個(gè)很差的設(shè)計(jì),你有足夠的理由要求設(shè)計(jì)人員重新修改設(shè)計(jì)。
順便提一句,有很多設(shè)計(jì)人員,甚至是十幾年二十年工作經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員,在設(shè)計(jì)AXI的master的時(shí)候,往往忽略寫(xiě)response的處理,也就是只要發(fā)送了命令和數(shù)據(jù),不等寫(xiě)response返回就認(rèn)為這筆傳輸已經(jīng)完成了。這是一個(gè)非常嚴(yán)重的設(shè)計(jì)bug,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能確實(shí)寫(xiě)數(shù)據(jù)是不是真的寫(xiě)到了最后的目的地,比如DDR。對(duì)軟件使用造成了很多困擾,這里重點(diǎn)提醒一下。寫(xiě)response的處理是一個(gè)代價(jià)非常小的邏輯,在設(shè)計(jì)的時(shí)候,請(qǐng)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(méi)有任何影響,只是master需要增加一個(gè)BRESP的緩存,把亂序返回的BRESP暫存。
注意:由于AXI4去掉了寫(xiě)交織,而且寫(xiě)交織基本沒(méi)有設(shè)計(jì)會(huì)使用,所以這里不討論寫(xiě)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(lái)后才能繼續(xù)發(fā)下一個(gè)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(gè)response返回前,連續(xù)發(fā)送4個(gè)命令(ADDR), 如下圖所示:



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由于第一個(gè)transaction的數(shù)據(jù)在D03處已經(jīng)完成,這時(shí)就可以直接發(fā)下一個(gè)命令A(yù)DDR1(藍(lán)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(dāng)前命令的rdata和response返回,才能發(fā)送下一個(gè)命令,所以不存在多個(gè)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(wú)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(shí)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(jì),把送回給master的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性比較大,實(shí)際中確實(shí)也會(huì)碰到這種情況。對(duì)這種有問(wèn)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(duì)傳輸和帶寬都沒(méi)有影響,代價(jià)是需要master對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行重排序或者重新分發(fā)。由于這里有可能需要對(duì)rdata進(jìn)行重排,所以會(huì)增加master的開(kāi)銷。但是相對(duì)于系統(tǒng)性能,這個(gè)代價(jià)是值得的。
2.2.5 Master不支持interleaving
interleaving是一個(gè)burst內(nèi)的概念,AXI的rdata可以選擇支持rdata的interleaving,進(jìn)一步提高性能。如果不支持interleaving,那么一個(gè)burst的數(shù)據(jù)必須按照第一個(gè)到最后一個(gè)為一個(gè)整體來(lái)返回,如下所示:



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一個(gè)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(jìn)行AXI Read的時(shí)候支持interleaving,那么slave可以把一個(gè)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(lái)了,進(jìn)一步提高了總線利用率。
但是需要slave和master都要能支持,會(huì)增加slave和master的復(fù)雜性,而且會(huì)拉長(zhǎng)傳輸對(duì)系統(tǒng)總線的占用時(shí)間。所以個(gè)人認(rèn)為AXI read支持interleaving的優(yōu)勢(shì)并不明顯,更好的方式是slave能緩存一個(gè)burst的數(shù)據(jù),一旦開(kāi)始響應(yīng)master的讀,就連續(xù)的返回一個(gè)burst的數(shù)據(jù)。這樣既能提高總線利用率,又能減少對(duì)系統(tǒng)總線的占用時(shí)間。實(shí)際中是否支持AXI read interleaving主要和IP設(shè)計(jì)相關(guān)。
到這里,我們并沒(méi)有分析中間的BUS,其實(shí)實(shí)際中,連接master和slave的bus才是關(guān)鍵,下一篇文章會(huì)通過(guò)分析兩個(gè)master訪問(wèn)兩個(gè)slave的情況來(lái)進(jìn)行詳細(xì)分析。
后記
技術(shù)很重要,技術(shù)背后的思想更重要!
技術(shù)背后的某些思想就是你解決以后問(wèn)題的鑰匙。我的文章可能一篇中知識(shí)點(diǎn)不太多,但是力求讓你能深入理解,為你進(jìn)階打下基礎(chǔ)。如果有一點(diǎn)點(diǎn)收獲,也算是我對(duì)中國(guó)芯片行業(yè)的一點(diǎn)點(diǎn)貢獻(xiàn)吧。
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