深入理解AXI協(xié)議中Narrow burst

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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(jì)/SOC架構(gòu)設(shè)計(jì)
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Narrow Burst (AXI 協(xié)議稱為Narrow Transfer）雖然在實(shí)際的設(shè)計(jì)中使用的比較少，但是它對(duì)系統(tǒng)總線的設(shè)計(jì)卻有比較大的影響，對(duì)應(yīng)支持Narrow Burst的Master IP，系統(tǒng)一定要妥善的支持，否則就會(huì)導(dǎo)致功能不正確。所以對(duì)這個(gè)概念還是必須有非常準(zhǔn)確的理解。下面我們總結(jié)一下Narrow Transfer。
AXI Burst[/ol]雖然ARM 把AMBA協(xié)議寫的很精簡(jiǎn)，能不多說(shuō)一個(gè)字就不浪費(fèi)任何的單詞，而且能不畫圖說(shuō)明的一定不給你畫圖解釋，但是協(xié)議的定義還是比較嚴(yán)謹(jǐn)和準(zhǔn)確的。我們?cè)诶斫飧拍畹臅r(shí)候，還是以協(xié)議的原文為準(zhǔn)，不懂就多讀幾次。
AXI通過(guò)AxBurst信號(hào)來(lái)區(qū)分，定義了三種burst類型，從AXI3~AXI5這個(gè)類型一直沒(méi)變過(guò)：

FIXED：這種突發(fā)類型用于對(duì)同一位置的重復(fù)訪問(wèn)，例如加載或清空FIFO時(shí)。
在整個(gè)突發(fā)傳輸中，每個(gè)傳輸?shù)牡刂范枷嗤��?li>同一個(gè)burst內(nèi)的每一個(gè)beats的byte lanes數(shù)目保持一致，但可以通過(guò)WSTRB選擇每個(gè)beat的哪些byteLane是有效bytes。
Burst長(zhǎng)度最多可以等于16。
[/ol][/ol]注意：Fixed類型的burst基本只有一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，那就是FIFO的讀寫。另外，雖然AXI4增加了burst length的最大值，但是Fiexed的最大burst length并沒(méi)有增加，仍然是16.
INCR: 這種突發(fā)類型中，每個(gè)傳輸?shù)牡刂范际乔耙粋�(gè)傳輸?shù)刂返脑隽俊?br /> 增量值取決于事務(wù)的大小。例如，對(duì)于一個(gè)4字節(jié)大小的對(duì)齊起始地址，每次傳輸?shù)牡刂肥乔耙粋�(gè)地址加4。
這種突發(fā)類型用于訪問(wèn)DDR等。
[/ol][/ol]INCR類型的burst是最常見(jiàn)的burst。由于現(xiàn)代大部分SOC都是以DDR為中心的，所以很多master主要支持INCR類型的burst，其他的兩種可能都不支持。
這里重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一下：AXI的transcation之間是獨(dú)立的！
比如下這個(gè)讀傳輸，burst=4，INCR類型：

請(qǐng)問(wèn)，第一個(gè)綠色的transcation和第二個(gè)藍(lán)色的transcation之間是什么關(guān)系？答案是：沒(méi)有關(guān)系！
AXI的一個(gè)transcation就是一個(gè)獨(dú)立的，完整的傳輸。Slave在接受到命令的時(shí)候，是不用依賴前一個(gè)或者后一個(gè)transcation信息就能完整處理當(dāng)前transcation的所有操作。比如，你只發(fā)一個(gè)transcation，難道slave就不能接受嗎？
所以：burst類型以transcation為邊界的，也就是定義的是transcation內(nèi)部的規(guī)則。
那么這里為什么transcation1和transcation2看起來(lái)這么連續(xù)，非常符合INCR連續(xù)遞增的特點(diǎn)呢？這是因?yàn)閷?shí)際使用中，單個(gè)transcation并不能傳輸完Master需要的數(shù)據(jù)，而Master需要的數(shù)據(jù)往往是一大塊連續(xù)的地址，所以幾個(gè)連續(xù)的transcation看起來(lái)地址是連續(xù)的，這和協(xié)議沒(méi)有任何關(guān)系。
比如下面這種傳輸是不是INCR? 仍然是的，只是實(shí)際使用這么發(fā)的比較少而已。

WRAP：這種突發(fā)類型與INCR類似，但如果達(dá)到了一個(gè)上限地址，地址會(huì)回繞到一個(gè)較低的地址。
最低地址是對(duì)齊到要傳輸數(shù)據(jù)的總大小的，即大小 * 長(zhǎng)度。這個(gè)地址被稱為Wrap Boundary。
每次傳輸后，地址的增量與INCR突發(fā)相同。然而，如果這個(gè)增量后的地址是（包裝邊界 + （大小*長(zhǎng)度）），那么地址會(huì)回繞到Wrap Boundary。
事務(wù)中的第一個(gè)傳輸可以使用高于Wrap Boundary的地址，但受到WRAP事務(wù)限制條件的約束。當(dāng)?shù)谝粋�(gè)地址高于Wrap Boundary時(shí)，地址會(huì)回繞。
起始地址必須與每個(gè)transfer的大小對(duì)齊。
Burst的長(zhǎng)度必須是2、4、8或16個(gè)傳輸。
以下是一些限制條件：
WRAP事務(wù)的行為如下：
這種Burst類型用于緩存行訪問(wèn)。
[/ol][/ol]WARP類型屬于三種里面最難理解的，首先是限制：

起始地址必須與每個(gè)transfer的大小對(duì)齊。transfer大小就是數(shù)據(jù)位寬，比如32bit就是4byte，地址都是按照byte為最小單位的。所以WRAP類型的起始地址和AXI位寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
[/ol]AXI 位寬32bit -------------------------WRAP 起始地址對(duì)齊到4：0x0,0x4,0x8,0xc, 不能出現(xiàn)0x2,0x6這些；
AXI 位寬64bit -------------------------WRAP 起始地址對(duì)齊到8：0x0,0x8 不能出現(xiàn)0x2,0x4,0x6這些；
AXI 位寬128bit -----------------------WRAP 起始地址對(duì)齊到16：0x00,0x10，最低位不能出現(xiàn)非0地址；
AXI 位寬256bit -----------------------WRAP 起始地址對(duì)齊到32：0x00,0x20，0x20的倍數(shù)；

Burst長(zhǎng)度不能是1， 只能是2,4,8,16其中一個(gè)。
[/ol]而WRAP burst的應(yīng)用場(chǎng)景主要就是Cache line的訪問(wèn)，所以一般都是帶cache的CPU和GPU等IP來(lái)使用，其他的IP很少用到。
當(dāng)發(fā)生cache miss時(shí)，從memory讀回來(lái)的是整個(gè)cache line。如果不支持WRAP Burst那么就必須從cache line的起始地址開(kāi)始讀數(shù)據(jù)：

如上圖，CPU需要的數(shù)據(jù)是D06，但是CPU不支持WRAP Burst，所以必須從D00開(kāi)始讀，那么如果CPU不支持亂序執(zhí)行，那么CPU就必須停止執(zhí)行，等D00~D05讀完，拿到D06后再繼續(xù)執(zhí)行。這樣對(duì)CPU的性能影響是非常大的。
如果支持WRAP Burst，就可以第一個(gè)訪問(wèn)D06，CPU繼續(xù)執(zhí)行，不會(huì)影響CPU性能。
WRAP地址的上下界的計(jì)算大家可以去看一下協(xié)議，很多文章說(shuō)明過(guò)，這里就不展開(kāi)了。
Narrow Transfer[/ol]AXI 協(xié)議定義的Narrow Transfer如下：

也就是如果傳輸?shù)膖ransfer的實(shí)際有些的數(shù)據(jù)位寬小于實(shí)際的data channel的位寬，則為Narrow Transfer。在Narrow Transfer中，AXI總線的某些數(shù)據(jù)位寬不會(huì)被使用，因此需要通過(guò)寫使能信號(hào)（WSTRB）來(lái)指示哪些字節(jié)通道是有效的。

注意，只有寫通道有STRB信號(hào)，也就是Narrow Transfer只是會(huì)發(fā)生在寫通道。這也很好理解，讀數(shù)據(jù)是slave返回的， 使用STRB信號(hào)并不會(huì)帶來(lái)任何收益，需要的帶寬不會(huì)減少，而且還需要增加一個(gè)信號(hào)，更好的方式是把數(shù)據(jù)都讀回來(lái)，master需要用哪些自己來(lái)決定。
注意：WSTRB并不是Narrow transfer的充分必要條件，也就是說(shuō)出現(xiàn)了WSTRB并不代表這個(gè)tranfer就是Narrow Transfer. 在非對(duì)齊的傳輸中，也會(huì)用到WSTRB，而且協(xié)議并沒(méi)有規(guī)定WSTRB是連續(xù)的。
協(xié)議規(guī)定的Narrow Tansfer分為兩種不同情況：
1.如果是INCR 或者 WRAP Burst，那么每個(gè)transfer(beat)使用不同的byteLane；
2.如果是FIXED Burst，那么每個(gè)transfer(beat)使用相同的byteLane；
如下圖中起始地址是0，INCR Burst Len=5, 總線寬度是32bit，transfer是8bit，傳輸情況如下：

那么這種情況下，AWSIZE是多少呢？



可以看到，SIZE表明的是每個(gè)傳輸中最大的byte數(shù)，這里需要注意是最大。所以這里AWSIZE=0b00;
那么對(duì)于下面的BURST=2, 數(shù)據(jù)位寬是32bit的傳輸屬于Narrow transfer嗎？

顯然這里不符合每個(gè)transfer(beat)使用不同的byteLane的條件，所以不是Narrow Transfer。這種傳輸在實(shí)際的Master里面還是比較常見(jiàn)的。
另外這里的AWSIZE=0b010 (4byte per transfer)
所以協(xié)議雖然沒(méi)有明確說(shuō)明，但是從協(xié)議的規(guī)定可以看到：
1.如果burst length =1，有WSTB就可以認(rèn)為是Narrow transfer，也可以認(rèn)為是非Narrow tranfer，對(duì)傳輸無(wú)影響，slave通過(guò)WSTB來(lái)解析數(shù)據(jù)就可以。
2.如果burst length >1，那么Narrow Transfer的burst的AWSIZE必須小于數(shù)據(jù)位寬能傳輸?shù)淖畲骲yte數(shù)，也就是每個(gè)tranfer的數(shù)據(jù)量都必須小于數(shù)據(jù)通道的位寬才行，而且必須滿足每個(gè)transfer(beat)使用不同的byteLane。
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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