解读AXI总线系统中的多交易操作应用

本文以解读AXI协议中的多交易操作部分为目的而展开介绍，首先介绍了AXI协议基本概念中与多交易操作相关的概念，之后对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读。

1、AXI基本概念

基本互联结构

AXI总线系统由Master、Slave和Interconnect等基本器件搭建而成，器件间的互联方式如下图所示：

通道分离

AXI协议定义了5个独立的通道，每个通道通过VALID和READY信号完成握手机制。 五个通道分别为：读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道和写响应通道。 读交易通道结构如下图所示：

写交易通道结构如下图所示：

读写交易中握手信号的依赖关系

读交易中握手信号的依赖关系如下图所示：

写交易中握手信号的依赖关系如下图所示：

注：单箭头指向的信号可以在指向它的信号未使能或使能后，它再使能；双箭头指向的信号必须在指向它的信号全都使能后，它再使能。

独立的交易ID

通过接口的每次交易都有一个ID标签且五个通道均具备传递ID标签的能力。

2、多交易中的“out of order”概念

“out of order”即乱序传输。

协议基本规定

在猝发读模式中，相同交易ID的Slave应依据地址发送顺序返回对应读数据； 在猝发写模式中，相同交易ID的Master应依据地址发送顺序发送对应写数据； 不同ID的交易间，不同交易的读写命令与命令对应的读写数据间无顺序限制。

乱序传输的示意案例

二猝发的读交易乱序传输示意图如下图所示： （其中Master先发出读命令RCMD1，后发出读命令RCMD2，但Slave先返回了RCMD2对应的读数据RDATA2_1和RDATA2_2）

二猝发的写交易乱序传输示意图如下图所示： （其中Master先发出写命令WCMD1，后发出写命令WCMD2，但Master先发出了写命令WCMD2对应的写数据WDATA2_1和WDATA2_2）

乱序传输的优势

“out of order”技术保证响应较快的存储区域不必等待响应较慢的存储区域，降低了交易延时，从而提高了系统性能表现。

3、多交易中的“interleaving”概念

“interleaving”即交错传输。

协议基本规定

在猝发读模式中，不同交易ID的Slave返回数据间允许交错传递； 在猝发写模式中，不同交易ID的Master写入数据间允许交错传递。（此项只在AXI3协议中生效）

交错传输的示意案例

二猝发的读交易交错传输示意图如下图所示： （其中Master先后发出读命令RCMD1和RCMD2，Slave依据时间先后，交错返回了RDATA2_1、RDATA1_1、RDATA2_2、RDATA1_2等读数据）

二猝发的写交易交错传输示意图如下图所示： （其中Master先后发出写命令WCMD1和WCMD2，Master依据时间先后，交错写入了WDATA2_1、WDATA1_1、WDATA1_2、WDATA2_2等写数据）

交错传输的优势

在读交易下，“interleaving”技术保证了不同响应状况的Slave在传递读数据时能最大化利用互联带宽； 在写交易下，当Master单此猝发传输的写数据来自速度不同的存储单元时，“interleaving”技术能够提升互联带宽的利用率。

4、多交易中的“outstanding”概念

“outstanding”即待处理的传输。

协议基本规定

AIX总线系统支持同时发布多个未完成的交易地址。

待处理传输的优势

“outstanding”技术意味着Masters可以不需等待上一交易完成便可发布交易地址，因而使能了总线系统平行处理多个交易的能力，进而提高了系统性能。

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AXI事务ID与outstanding/out of oreder/interleaving实现关系

前言

众所周知，AXI3/AXI4支持outstanding/out of order/ interleaving的特性，但是这一特性是根据AXI哪一路实现的，以及需要注意和说明的地方是什么。

here is the analysis.

超前传输 outstanding的实现

outstanding是什么

outstanding表示AXI超前传输的特性，表示这笔transaction还没完成，可以先提起别的事务，这么说如果抽象的话，那么就是AR/AWchannel可以提起多个事物，即便在W/R channel数据还没发完或者还没发的情况下。

超前传输是如何实现的？

在不考虑其他两个特性（乱序和交织）的情况下，AXI事务都是顺序完成的，这时多事务在途不需要其他信号来实现，直接根据write channel或者read channel的LAST信号或者response channel的信号来判断分割事务就可以了。可以认为是一种队列或FIFO结构，AR/AWchannel发起事务就是顺序压入队列，当这些事务对应完成的时候，就最提起事务先弹出队列，表示结束，然后接收完成后面的事务。

超前传输的可支持性

超前传输需要master和slave都支持超前传输，其中outstanding depth表示了主机超前传输的性能，表示同一时刻最多支持多少个AXI 事务在途。

如果slave不支持outstanding如何响应？

AXI 从机可选地支持超前传输，假设从机不支持超前传输，只需要在接收到 Trans0 后，置低 AxREADY 信号，阻止主机超前传输。在返回读数据后，再置高 AxREADY 信号，接收下一事务。如下图所示，主机将 Trans1 保持在总线上直至从机接收。

乱序 out of order的实现

out of order乱序是什么？

当有多个事务在途的时候，有的事务可能先准备好，因此可以先发送在总线上。那就需要面对一个问题，如何判断返回的是哪个事务的数据？这就与AXI的事务ID有关

AXI的事务ID

AXI的事务ID包含了：

AWID

WID (只有AXI3有，AXI4没有，因此不支持写交织)

BID

ARID

RID

AXI out of order乱序的实现模型与思路

AXI乱序的特性是由地址channel和响应channel上的ID信号AWID/ARID和WID/RID来实现的，根据ID不同来标识事务不同，但是并不代表不同事务传输AWID/ARID就已经要不同

不同事务的AxID如果一致，那么这些事务就不能实现out of order，只能进行顺序完成。（因此需要重排序模型，重排序模型包括了事务缓冲区和数据缓冲区，事务缓冲区存放在途需要完成的事务，对于slave来说，其可能对于不同事务完成的时间不同，因此事务准备好了与事务缓冲区的首个事务比较，如果匹配就输出，如果不匹配就进入数据缓冲区）

如果不同事务AxID不同，那么这些事务之间可以乱序。那么不同AxID事务的数据，对于AXI读来说，如何判断返回的数据属于哪个事务呢，是通过RID来进行匹配的，也就是说，在完成乱序传输的时候，需要RID和ARID保持一致，以标识不同事务的数据

那么对于实际情况来说，在实际传输中，可能有的事务AxID是不同的，有的是相同的，这是如何解决的？答：对于ID相同的就顺序完成，对于ID不同的可以乱序。

在实际应用中，在slave的实现中，为每个ARID准备了一个事务缓冲区和数据缓冲区，以支持相同ID和不同ID的数据顺序传输和乱序传输。

有关于写乱序

有一个重要的观点，写乱序不是针对于master来说的，说的不是不同事务发送的顺序可以不一样（即事务A先发起，事务B后发起，先发B事务的数据然后再发A事务的数据，如此叫做乱序，这种观点是错误的！）

写乱序指的是：乱序是针对slave来说的，slave接收到了多个事务（可能是多个master传输来的事务）那么slave返回BID的顺序与发送过来的AWID顺序是不同的，这叫做写乱序，如图所示，slave对于写事务的完成（响应）可以是乱序的，称之为写乱序，写乱序实际上指的是写响应乱序。

对应写事务乱序跟读事务也是相同的

通过BID和AWID来表示数据所属事务

AXI interleaving 交织的实现

什么是交织？

interleaving表示不同事务的数据可以被打散混合排列（但是注意，这里说的混合排列是不同事务间的，同一个是数据是不循序被打乱的）。例如事务1数据是0a 0b，事务2数据是1a 1b，如果不支持交织，那么总线上数据的传输需要是0a0b1a1b或者1a1b0a0b，如果支持交织的话那么就可以是0a1a0b1b（或者别的插入顺序）

交织的实现

对于读交织来说，读事务的response方向和读方向的相同的，不同事务交织是通过RID来进行识别的，也就是说RID在AXI传输中即起到了out of order乱序的不同事务识别也起到了interleaving交织中不同事务数据的识别

对于写交织来说，由于写方向和response方向不一样，那么WID就是提供了写交织的不同事务的识别，BID提供了乱序不同事务的识别。使用与 AWID 匹配的 BID 标识写回复所属的事务 ID。实际上从机给出写回复可以类比读事务中给出读数据的过程。

总结

到此为止，介绍了AxID和RID/BID在AXI乱序交织中的作用。

审核编辑：黄飞