一文看懂AXI总线的ordering

1. Request ordering

AXI是基于相同通道且相同ID来保序的：

如果Master需要对AXI协议不保序的事务进行保序，Master必须要等response。

1.1 Memory地址和Peripheral地址

AMBA协议里的address map分为Peripheral region和Memory location。

Memory location具有以下所有属性：

从memory位置读取字节时，返回最后一次写入的值。

对memory位置的写操作会更新该位置的值，对该位置的后续读操作会获取到新值。

对memory地址的读取或写入不会对其他memory地址产生副作用。

对每个memory location提供Observation保证。

memory location的大小等于该组件的单副本原子性（single-copy atomicity）大小。

Peripheral region具有以下所有属性：

对Peripheral region的读操作不一定返回最后写入该地址的值。

访问Peripheral region内的地址可能会对该region内的其他地址产生副作用。

对每个Peripheral region提供Observation保证。

Peripheral region的大小是实现定义的，但必须在一个slave组件内。

一个事务会有一个或多个地址location。

只有访问相同memory location、相同Peripheral region才会保序。

对一个Peripheral region的访问必须全部在该region内。

跨越多个memory location的事务有多个ordering保证。

1.2 Device和Normal请求

device事务：请求的axcache[1]为0。device事务可以访问memory location和Peripheral region。

normal事务：请求的axcache[1]为1。normal事务用来访问memory location，不期望访问Peripheral region。对Peripheral region的正常访问必须以符合协议的方式完成，但其结果是由实现定义的。

1.3 Observation和completion的定义

访问Peripheral region时：

当device读/写DRW1比DRW2先到达slave时，DRW1被DRW2观察到。

访问Memory location时：

如果写W2在W1之后生效，那么W1被W2观察到。

当W2在W3之后时，如果R1返回W3的数据，那么R1被W2观察到。

当W3在W1之后，如果R2返回W1或W3的数据，那么W1被R2观察到。

写操作的completion响应：bvalid和bready都拉高的cycle。

读操作的completion响应：rvalid、rready、rlast都拉高的cycle。

1.4 Manager ordering保证

Manager ordering有3种类型的ordering model：

收到completion响应之前的Observability保证

以下保序适用于相同Master且相同ID的事务：

当device写操作DW2在DW1之后发送，且访问相同Peripheral region时，保证DW1在DW2之前到达目的地。

当device读操作DR2在DR1之后发送，且访问相同Peripheral region时，保证DR1在DR2之前到达目的地。

当写请求W2在W1之后发送，且访问相同Memory location时，保证W1被W2观察到。当读请求R3在R2之后发送，且访问相同Memory location时，保证被R2观察到的W1被R3观察到。

来自completion响应的Observability保证

对于读请求，completion响应保证该请求被后续来自任何Manager的读/写请求可观察到。

对于Non-bufferable写请求，completion响应保证该请求被后续来自任何Manager的读/写请求可观察到。

对于bufferable写请求，completion响应可以来自中间节点，它不保证写操作在endpoint完成，但保证observability：

- - - Non-shareable：只对发送的Manager保证observable。
    - Shareable：对shareable domain的所有Manager保证observable。
    - System：对所有Manager保证observable。

Response ordering保证

1.5 slave ordering要求

为了满足Manager的ordering保证，slave必须满足以下要求。

Peripheral location：

Memory location：

先收到W1后收到W2，且相同ID，访问相同Memory location时，W1必须在W2之前保序。

在给出W1的completion响应后收到W2，且访问相同Memory location时，W1必须在W2之前保序。

在给出W1的completion响应后收到R2，且访问相同Memory location时，W1必须在R2之前保序。

在给出R1的completion响应后收到W2，且访问相同Memory location时，R1必须在W2之前保序。

Response ordering要求

1.6 Interconnect ordering要求

当Interconnect发送请求或响应时，必须符合以下要求：

先收到R1后收到R2请求，且相同ID，相同location时，必须先发送R1请求，后发送R2请求。

先收到W1后收到W2请求，且相同ID，相同location时，必须先发送W1请求，后发送W2请求。

先收到device读请求DR1后收到DR2，且相同ID，相同Peripheral region时，必须先发送DR1请求，后发送DR2请求。

先收到device写请求DW1后收到DW2，且相同ID，相同Peripheral region时，必须先发送DW1请求，后发送DW2请求。

先收到R1后收到R2请求，且相同ID时，必须先发送R1响应，后发送R2响应。

先收到W1后收到W2请求，且相同ID时，必须先发送W1响应，后发送W2响应。

1.7 到达endpoint之前的响应

为了提升系统性能，允许中间组件发送响应，即early response。中间组件发送early response必须保证visibility和ordering。

Early read response

对于Normal read请求，如果数据是最新的，那么中间组件可以返回读数据。这种情况下，不需要将请求传到中间组件之外。

中间组件必须遵守ID保序规则：只有在之前的相同ID读请求都已经有响应的情况下，才可以发送读响应。

Early write response

对于bufferable写操作（awcache[0]为1），中间组件可以发送early write response。中间组件必须遵守ID保序规则。

在发送early写响应之后，中间组件必须负责该事务的ordering和observability，直到写操作已向下传送并收到写响应为止。在发送early写响应和收到下游响应之间，组件必须确保：

当为Device Bufferable事务提供early写响应时，中间组件应该传播写事务，而不依赖其他事务。在传播上一个device写操作之前，中间组件不能等待另一个读或写操作到达。

1.8 Ordered write observation（OWO）

slave接口可以对写事务提供更强的顺序保证，即Ordered Write Observation（OWO）。

OWO保证：来自相同Master的相同ID写事务，先发送W1后发送W2，保证W1被W2观察到。

当使用OWO时，Manager可以发送多个相同ID的写请求而不用等写响应，并且这些写请求会按照发送顺序来保证observe。当使用Producer-Consumer保序模型时，OWO可以提高性能。

如果没有OWO，为了支持Producer-Consumer保序模型，Manager需要等待写响应，才能发送后续的相同ID的写请求。

参考：AMBA AXI Protocol Specification