AMBA总线之AXI设计的关键问题讲解

1、设计AXI接口IP的考虑

1.1、AXI Feature回顾

首先我们看一下针对AXI接口的IP设计，在介绍之前我们先回顾一下AXI所具有的一些feature。

首先是Cache相关的问题，Cache是提高系统Performance的一种很好的方式，AXI通过AxCache信号来决定是否可以访问Cache，是否可以分配Cache。

然后是原子操作，原子操作我专门花了一篇文章进行讲解，大家使用的时候尽量只使用Exclusive Access，Locked Access会阻塞总线，导致带宽无法充分利用，对系统性能影响较大。其实诸如此类的设计，对性能及吞吐量敏感的地方都应该避免使用，我们称为阻塞性xxx。为了支持Exclusive Access，我们自然需要Exclusive Monitor，来满足协议的要求，如何进行设计之前的文章也有提及，不再细说。

然后我们看一下AXI是如何提高性能的，这也是面试比较喜欢问的。如上面的图所示，主要有三种方式，我称之为提高AXI性能的三板斧，排名分先后。

Outstanding对性能影响最显著，尤其是主从之间通讯需要多拍的时候，它充分利用了这段时间发起别的传输。其实就是通过这些操作去掩盖原本的访存延时。

然后是乱序（Out of Order），这个提高性能主要体现在Slave无法及时响应，就可以让后发起的请求先完成。就比如你去超市买菜，你前面的人刚好手机没电了，你是等他充好电还是先让你付款？

最后是Interleave，即交织读写，这个其实就是在空闲的Cycle中（气泡Cycle）插入读写事务，其实有点像乱序，可以理解成更加细粒度的乱序。当然粒度这么细，导致设计很复杂，所以在AXI4中写交织就被移除了

最后是Memory Type的不同，基于Memory类型的不同，可以决定你的读写是否可以Bufferable或者Cacheable。比如某些外设寄存器，你写完是希望直接改变系统当前的运行状态的，希望即刻生效，这种当然几不可以Cacheable也不可以Bufferable。而有些外设寄存器，比如写Flash Controller的寄存器，你写完以后，稍微延迟一些Cycle或者有乱序是可以接受的，这种情况就可以Bufferable。

1.2、Ordering consideration

首先我们看一下Write Channel和Read Channel之间的一个Order，AXI协议并没有对它们之间的Order有一个约束，如果想要实现该机制，就应该在之前的transaction收到最后的response以后才允许发起新的transaction。
你可以通过配置某个寄存器，来开启该功能。这个设计起来不是很复杂。如果你使用的是ARM或者X86或者主流的商用CPU，你可以使用memory barrier指令来确保这个顺序。

然后我们看一下对于Master而言，对于来自Slave的Response，是可以乱序的，通过ID来区分好就行。此外对于Read response而言，是可以Interleave的。读交织如下图所示。

而对于同一ID而言，即Master发出的同一AWID/ARID而言，相应的数据必须是顺序的，如果不是顺序的，怎么知道哪个数据对应于哪一个地址？

我们看一下Slave的实现，Slave想实现Order Model，比Master要复杂的多。我们想象一下这样的一个例子，一个Master去访问一个Slave，而这个Slave有很多不同的Memory Type，比如既有访问较快的寄存器，也有相对慢一点的SRAM，甚至还有DDR/FLASH。比如你去写一个DDR Controller，你去写它的配置寄存器，很快，你去写DDR，其实也要走这个DDR Controller，这样一次访问就非常非常的慢。

但是，由于是同一个Master的访问，其ID是相同的，相同ID要保序，那难不成每次写DDR，都要等着数据回来？显然非常的不合理，那么在其内部就可以做一个转换表，如下图所示，来的时候是同样的ID，但Slave可以将其转换成不同的ID，这样就可以Outstanding了，也可以乱序了，非常的Amazing啊。注意，Slave内部是可以Out of Order返回的，但你返回给Master还是得顺序的。需要一块额外的存储空间来缓存这些需要返回的数据及相关信息，当来了，你就返回给Master。

我们再看一下Master的实现，当Master有多个Engine，比如DMA。每个DMA发出的ID是不一样的，当发出多个Outstanding的请求，Slave也相应的根据请求把数据拿回来了。相应的准备若干个Queue，当ID为0的返回的时候送给Queue0，当ID为0的最后一笔返回的时候即RLAST拉高的时候，做相应的处理返回给发出请求的Engine。其实就是需要一定的缓冲机制，来避免接不到数据等情况。

Master需要数据queue来支持out of order；

Master需要buffer来支持outstading；

1.3、Debugging

大多数的时候，都认为各自是遵循总线协议的，但还是需要一定的能力，来做Debugging，毕竟某些IP会不遵守协议，会出错。

使用counter来监视发起了多少次传输事务（transaction），以Master那边为例，当发出一次outstading请求，相应的counter+1，当收到最后的response，counter-1。这样系统挂死以后，发现某个Master的monitor记录counter不为0，这样就可以快速定位错误；

axvalid&axready=1，cnt+1

对于写，当bvalid&bready=1，cnt-1

对于读，当rvalid&rready&rlast，cnt-1

还可以记录transfer数量

还可以记录更多的信息，如axlen、axid、axsize等；

使用timeout机制；

2、Interconnect拓扑结构

假设基于AXI的Master和Slave已经设计好了，如何对它们进行连接呢？当多个Master和Slave进行通信的时候，就需要Interconnect。

Interconnect的拓扑结构多种多样，基于AXI的Interconnect一般采用Crossbar，如ARM-NIC400，这里我们也只讲这种方式。

我们看一下基于Crossbar的方式，首先是最简单的点对点方式，这种情况比较少见，比较典型的如ACP接口，Master需要直接访问Slave的cache（此时CPU作为Slave，并且是唯一的Slave），这种情况就可以点对点，而不用走多对多的总线。

然后是一对多的情况，如下图所示，这种情况也很常见，比如一个CPU要去访问多个Slave外设。

然后是多个Master访问多个Slave，这种情况就需要引入仲裁逻辑了，相对的设计也会更加复杂，此时多个Master共享Interconnect,相应的会影响到带宽。

然后我们看一下下面的例子，左边是完全映射，即Master可以访问所有的Slave。右图则是部分映射，可以看到一个Master只能访问指定的Slave。部分映射可以简化逻辑设计，节约面积，让能跑的主频更高一点。实际上也不需要每个Master都能访问每个Slave。根据自己的需求来就行。

接下来我们看一下如果想设计一个好的互连，需要满足以下的特点：

支持多个Master和多个Slave

扩展灵活，可复用性强

时序好，从Interconnect本身去解决timing violation的问题

3、仲裁和时序收敛问题

接下来我们看一下仲裁相关的问题。仲裁本身是个很复杂的问题，这里只简单介绍。当多个Master需要访问同一个Slave的时候，这个时候就需要选择其中的一个。这里讲两种仲裁机制，Least Recently Granted和Round Robin仲裁机制。

首先看一下Least Recently Granted仲裁：这个和Cache替换中的LRU差不多，我们一开始会分好组，组和组之间是有固定优先级区别的，高优先级的总是会获得仲裁。对于同一个组的而言，我们会让最近没有被授权的Master获得仲裁权，因此我们需要有一个寄存器去记录历史信息，也可以用状态机实现。

然后是Round Robin仲裁机制，这种仲裁机制下所有的Master的优先级都是相同的，采用轮询的方式进行仲裁，相应的也要进行记录历史信息，以决定如何获得仲裁。如下图所示，我们甚至可以用移位寄存器实现，下图是带Weight的Round Robin，可以看到M1占据了2个SLOT。因此使用频率是其它Master的两倍。

我们再看一下时序如何收敛，因为AXI本身采用握手机制，因此实际上非常灵活，晚了一个周期早了一个周期都无所谓，只要满足基本的各通道间依赖关系即可。没有AHB和APB那样的硬性1T Cycle delay的要求。因此我们可以在critical path上插入寄存器，以优化时序。

一般是有三种方式，打断Valid，打断Ready或者都打断。在IC设计中，无论使用的是否是AXI总线，只要用Valid和Ready握手机制来传递数据，都可以使用该方法让时序收敛，不一定是局限于某个总线协议。大家完全可以将其用在模块内部和模块与模块间的流传输。

上面这种机制用在总线上，一般称之为Register Slice。先说说Slice的作用，在SoC中，如果Master和Slave的距离比较远，那么它们之间的bus信号要满足timing就可能有点困难，比如AXI中的 ARADDR、ARVALID这些信号从Master出来，要去很远的Slave，那么中间就要加很多的buffer，这引入的buffer delay就可能导致我们希望的timing不满足。这个时候就需要插入slice，给每个控制信号在中间加一级寄存器，把较长的走线缩短。当然插入的slice依然要保持bus的协议标准。简单来说，一个slice就是下面中间的那个模块。

我们看一下在Register插入的位置，可以如下图所示（其实有很多可以插入的位置）。一般AXI各个通道是分开的，我们在哪个通道加入register slice，相应的就会晚了一拍，实际上晚了一拍完全不影响逻辑功能。

审核编辑：刘清