ARM系列-CXS基础知识介绍

CXS （Credited eXtensible Stream）是一个流接口协议，主要用于点到点（point-to-point）的数据包通信。CXS接口的主要使用情形是在片上互连和PCIe控制器。CXS中的数据传输是单向的，因此一般CXS接口是收/发成对出现的。

看到这里，是不是想起了什么？没错，就是AXI-Stream，同样也是点到点的流接口传输，比如中断控制器GIC的组件之间就采用了AXI-Stream。AXI-Stream在 FPGA中应用较多，尤其是多媒体领域。

CXS接口的数据传输是单向的，两端是Transmitter（TX）和Receiver（RX）。一个时钟周期内传输的数据称作flit。一个数据包可以占用一个或多个flit组成。

CXS的接口信号分为两部分，一部分是必须包含的，另一部分是可选信号。其中必须实现的信号如下（以下用正粗体表示信号，斜粗体表示属性）：

从接口信号上看，并没有READY信号，也就是说CXS不像其它的AMBA总线，比如AXI，是通过“VALID - READY”来控制流量。

正如名字中的含义，CXS接口上的流量控制（flow control）通过信用交换机制实现。其信用机制规则如下：

• 仅当TX有信用值时才能发送数据
• 当接口刚完成复位或者是第一次active，TX没有信用值，不能发送数据
• RX通过CXSCRDGNT信号授予TX信用
• 在CXSCRDGNT被RX置位的每个时钟周期，RX授予一个信用值给TX。每个信用值可用作一次flit传输。
• RX必须保证每释放一个信用值，即可接收一个flit
• TX置位 CXSVALID ，每个时钟周期发送一个flit，占用一个信用值
• RX可以授予TX的最大信用值数由CXS_MAX_CREDIT属性决定
• TX只有等到CXSCRDGNT被置位之后，得到信用才能发送flit
• 可选，TX可以通过CXSCRDRTN返还信用值给RX，无需发送flit
• RX不能重用已消耗或返回的信用
• 如果TX在发送flit或者返回给RX信用的同时接收到一个信用，则TX端的可用信用数不变

正常情况下，TX发送一个flit给RX，同时消耗一个信用值；RX接收到flit，如果有能力接收更多的flit，则可以授予TX一个信用值；随后，TX得到新的信用值。从TX消耗信用值到得到新的信用值，这段时间称为信用延迟（credit latency）。为保证TX能够源源不断的发送数据，则需要设计好最大可用的信用数量，以保证不会由于信用延迟造成的断流。

CXS接口的属性包括以下：

其中，TX和RX的属性可以单独设置。

CXS的完整接口信号列表如下：

其中，CXSLAST用于连续传输；CXSPRCLTYPE用于支持多种协议类型。

当CXSCHECKTYPE 属性被设置成Odd_Byte_Parity，CXS接口上会增加额外的信号线，用于增强接口信号的完整性。对于单bit信号线，增加一个bit，比如 CXSVALID ，增加一个信号 CXSVALIDCHK ；对于多bit信号，每8bit增加一个信号，比如256-bit的 CXSDATA ，增加一个32-bit信号 CXSDATACHK 。增加的信号与原信号相加为奇数。

CXS对每个flit中的数据包放置进行了限制，以简化数据路径实现：

• 数据包的第一个byte必须是16-byte对齐的边界
• 数据包的后续字节占用flit的后续字节
• 数据包可以在任何4-byte对齐的边界上结束。
• 从字节位置开始的数据包将占用该flit中的每个后续字节，直到数据包结束或flit结束。
• 如果flit结束时数据包中还有剩余字节，则该数据包将从下一个flit的字节[0]开始，并占据随后的每个字节位置，直到数据包结束或flit结束。
• 当数据包在flit中结束时，flit中的剩余字节可以不使用。
• flit中的任何数据包必须从相对于flit开始或前一数据包结束的第一个可用16-byte边界开始。

CXSCNTL信号总线可以分为五个字段，分别为：START，START[N:0]PTR，END，ENDERROR和END[N:0]PTR。下面分别解释。

下图给出CXSCNTL信号的组成示例。当属性 **CXSMAXPKTPERFLIT ** = 4，属性 **CXSDATAFLITWIDTH ** = 512时，CXSCNTL信号共有36-bit。

CXS接口传输满足以下要求的数据包大小需满足：

• 至少为4字节
• 为4字节的倍数
• 数据大小没有上限

如果CXS用于CCIX数据包传输，需要遵守CCIX的约定。

协议中给出了数据包传输的例子，看一个比较复杂的示例。属性 ***CXSMAXPKTPERFLIT *** = 4， ***CXSDATAFLITWIDTH *** = 512， ***CXSCONTINUOUSDATA *** = true，Protocol 0用于可变长数据包，Protocol 1用于固定长64-byte数据包。在Protocol 0中，P0D和P0E分组必须保持在一起；在Protocol 1中，P1B和P1C分组必须保持在一起，P1E，P1F和P1分组必须保持在一起。

当属性 **CXSLINKCONTROL _ ** = Explicit *Credit *Return，CXS接口上会多出一组信号， CXSCRDRTN ， CXSACTIVEREQ ，CXSACTIVEACK和 CXSDEACTHINT 。

其中 CXSACTIVEREQ ，CXSACTIVEACK实现四相位的握手机制。握手机制共分为四种状态：

• 1. STOP
• CXS接口在STOP状态时没有任何操作，所有的信用被RX收回
• STOP是一个稳定状态，CXS接口可以无限期保持在STOP
• RX此时不可以接收flit，也不可以授予信用
• TX此时不可以发送flit，也不可以返还信用
• 如果TX有flit等待发送，需要从STOP状态转移到ACTIVATE状态
• 2. ACTIVATE
• 此状态为STOP到RUN的过渡
• 期望进入此状态后，期待CXS通路很快进入RUN状态
• 此状态下，TX必须接收信用，但还不可以发送flit
• RX此时不可以接收flit，也不可以授予信用
• RX不可以在状态ACTIVATE下发送信用。但是允许RX在进入RUN状态的同一周期内发送信用。由于存在潜在的竞争条件，因此TX在ACTIVATE状态下可能会收到信用
• 当RX准备好接收flit时，它可以从ACTIVATE状态转移到RUN状态
• 3. RUN
• TX和RX在此状态下传输flit
• RUN状态是稳定状态，CXS通道可以一直保持在RUN状态
• RX可以接收flit，授予信用，接收返还的信用
• TX可以发送flit，，接收信用
• TX允许返还信用给RX
• TX可以在某些情况下从RUN状态切换到DEACTIVATE状态，比如TX没有flit可以发送了
• 4. DEACTIVATE
• 此状态用于从RUN到STOP的过渡
• DEACTIVATE是一个中间状态
• 在进入此状态前，TX必须停止发送flit，由于潜在的竞争条件，RX有可能在此状态下接收flit
• RX可以发送信用，当RX发现TX返还信用时必须停止继续发送信用
• RX可以接收TX返还的信用
• TX必须发送信用返回，以便将所有信用返回给RX。
• 只有当所有信用都已返回时，RX才能退出该状态并移至STOP状态。

四种状态转换的关系如下图：

TX始终负责启动从RUN到STOP，或从STOP到RUN的状态更改，例如：

• TX端有flit等待发送，所以需要从STOP转移到RUN
• TX端没有flit可以发送，可以从RUN切换到STOP
• TX可以观测一个独立的边带信号，判断是否需要从RUN移动到STOP，或从STOP移动到RUN
• TX可以观测RX发出的CXSDEACTHINT来判断是否需要从RUN转移到STOP

当接口的一方同时执行两个操作时，即存在竞争条件。CXS规范允许数据流和链路控制信号组之间存在不同的延迟。因此，到达时的操作顺序可能与发出的顺序不同。竞争条件之所以会存在，是因为不要求CXSACTIVEREQ和CXSACTIVEACK信号不需要在TX和RX之间的其它信号具有相同的延迟。

CXS接口信号间的时序关系如下。

• CXSVALID，CXSDATA，CXSCNTL和CXSCRDRTN必须是同步关系，且具有相同的延时
• CXSCRDGNT，CXSACTIVEACK，CXSDEACTHINT必须是同步，但是可以有任意延时
• CXSACTIVEREQ必须是同步驱动，但是接收端可以异步接收，且可以任意延时

来看一个例子。

1. 1.T0时刻，TX和RX都处于STOP状态，两边都可以关断时钟，甚至电源；
2. 2. T1时刻，TX置位 CXSACTIVEREQ ，从STOP转移到ACTIVATE；TX等待RX启动；
3. 3.T6时刻，RX完成启动，置位 CXSACTIVEACK ；
4. 4. CXSCRDGNT与CXSACTIVEACK**在同一时刻被置位；
5. 5. T7时刻，TX接收到一个信用，发送一个flit；
6. 6. TX在接收到更多信用后，连续发送flit。

某些情况下，CXS通道不能中断数据流，例如PCIe。这时，需要TX和RX实现一个存储转发（store-and-forward）buffer。

如果RX内置了这个buffer，数据包可以被下游完整接收。RX必须有足够的空间来存储TX所能发送的最大数据包。这种情况下，TX和RX可以设置属性 *** CXSCONTINUOUSDATA * ** = False。TX无需缓存数据包。

如果RX没有缓冲区并且需要连续数据，则它会将** *CXSCONTINUOUSDATA *属性设置为True，并且TX也必须将 *CXSCONTINUOUSDATA ***设置为True。然后，TX必须能够在不依赖其它接口的情况下发出数据包内的所有flit。

如果需要连续流量，必须确保RX有足够的信用来覆盖最坏情况下的往返信用延迟：

• RX和TX之间的CXSCRDGNT延迟
• TX端的CXSTXCRDGNT和CXSTXVALID之间的最大内部延迟，由TX的CXS_MAX_CREDIT_LATENCY属性描述
• RX和TX之间的CXSVALID延迟
• RX端的CXSTXVALID和CXSTXCRDGNT之间的最大内部延迟，由RX的CXS_MAX_CREDIT_LATENCY属性描述

RX可以发出的最大信用数取决于其缓冲区的大小，可以通过其** CXS MAX *CREDIT ***属性来描述。

如果下游接口的时钟比CXS链路慢，则可能不需要每个周期发送一个flit。在这种情况下，RX保持恒定流量所需的信用数可能小于往返延迟。