深入理解AXI协议中Narrow burst

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本文作者：烓围玮未。主要从事ISP/MIPI/SOC/车规芯片设计/SOC架构设计
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Narrow Burst (AXI 协议称为Narrow Transfer）虽然在实际的设计中使用的比较少，但是它对系统总线的设计却有比较大的影响，对应支持Narrow Burst的Master IP，系统一定要妥善的支持，否则就会导致功能不正确。所以对这个概念还是必须有非常准确的理解。下面我们总结一下Narrow Transfer。
AXI Burst[/ol]虽然ARM 把AMBA协议写的很精简，能不多说一个字就不浪费任何的单词，而且能不画图说明的一定不给你画图解释，但是协议的定义还是比较严谨和准确的。我们在理解概念的时候，还是以协议的原文为准，不懂就多读几次。
AXI通过AxBurst信号来区分，定义了三种burst类型，从AXI3~AXI5这个类型一直没变过：

FIXED：这种突发类型用于对同一位置的重复访问，例如加载或清空FIFO时。
在整个突发传输中，每个传输的地址都相同。

同一个burst内的每一个beats的byte lanes数目保持一致，但可以通过WSTRB选择每个beat的哪些byteLane是有效bytes。
Burst长度最多可以等于16。
[/ol][/ol]注意：Fixed类型的burst基本只有一个应用场景，那就是FIFO的读写。另外，虽然AXI4增加了burst length的最大值，但是Fiexed的最大burst length并没有增加，仍然是16.
INCR: 这种突发类型中，每个传输的地址都是前一个传输地址的增量。
增量值取决于事务的大小。例如，对于一个4字节大小的对齐起始地址，每次传输的地址是前一个地址加4。
这种突发类型用于访问DDR等。
[/ol][/ol]INCR类型的burst是最常见的burst。由于现代大部分SOC都是以DDR为中心的，所以很多master主要支持INCR类型的burst，其他的两种可能都不支持。
这里重点强调一下：AXI的transcation之间是独立的！
比如下这个读传输，burst=4，INCR类型：

请问，第一个绿色的transcation和第二个蓝色的transcation之间是什么关系？答案是：没有关系！
AXI的一个transcation就是一个独立的，完整的传输。Slave在接受到命令的时候，是不用依赖前一个或者后一个transcation信息就能完整处理当前transcation的所有操作。比如，你只发一个transcation，难道slave就不能接受吗？
所以：burst类型以transcation为边界的，也就是定义的是transcation内部的规则。
那么这里为什么transcation1和transcation2看起来这么连续，非常符合INCR连续递增的特点呢？这是因为实际使用中，单个transcation并不能传输完Master需要的数据，而Master需要的数据往往是一大块连续的地址，所以几个连续的transcation看起来地址是连续的，这和协议没有任何关系。
比如下面这种传输是不是INCR? 仍然是的，只是实际使用这么发的比较少而已。

WRAP：这种突发类型与INCR类似，但如果达到了一个上限地址，地址会回绕到一个较低的地址。
最低地址是对齐到要传输数据的总大小的，即大小 * 长度。这个地址被称为Wrap Boundary。
每次传输后，地址的增量与INCR突发相同。然而，如果这个增量后的地址是（包装边界 + （大小*长度）），那么地址会回绕到Wrap Boundary。
事务中的第一个传输可以使用高于Wrap Boundary的地址，但受到WRAP事务限制条件的约束。当第一个地址高于Wrap Boundary时，地址会回绕。
起始地址必须与每个transfer的大小对齐。
Burst的长度必须是2、4、8或16个传输。
以下是一些限制条件：
WRAP事务的行为如下：
这种Burst类型用于缓存行访问。
[/ol][/ol]WARP类型属于三种里面最难理解的，首先是限制：

起始地址必须与每个transfer的大小对齐。transfer大小就是数据位宽，比如32bit就是4byte，地址都是按照byte为最小单位的。所以WRAP类型的起始地址和AXI位宽的对应关系如下：
[/ol]AXI 位宽32bit -------------------------WRAP 起始地址对齐到4：0x0,0x4,0x8,0xc, 不能出现0x2,0x6这些；
AXI 位宽64bit -------------------------WRAP 起始地址对齐到8：0x0,0x8 不能出现0x2,0x4,0x6这些；
AXI 位宽128bit -----------------------WRAP 起始地址对齐到16：0x00,0x10，最低位不能出现非0地址；
AXI 位宽256bit -----------------------WRAP 起始地址对齐到32：0x00,0x20，0x20的倍数；

Burst长度不能是1， 只能是2,4,8,16其中一个。
[/ol]而WRAP burst的应用场景主要就是Cache line的访问，所以一般都是带cache的CPU和GPU等IP来使用，其他的IP很少用到。
当发生cache miss时，从memory读回来的是整个cache line。如果不支持WRAP Burst那么就必须从cache line的起始地址开始读数据：

如上图，CPU需要的数据是D06，但是CPU不支持WRAP Burst，所以必须从D00开始读，那么如果CPU不支持乱序执行，那么CPU就必须停止执行，等D00~D05读完，拿到D06后再继续执行。这样对CPU的性能影响是非常大的。
如果支持WRAP Burst，就可以第一个访问D06，CPU继续执行，不会影响CPU性能。
WRAP地址的上下界的计算大家可以去看一下协议，很多文章说明过，这里就不展开了。
Narrow Transfer[/ol]AXI 协议定义的Narrow Transfer如下：

也就是如果传输的transfer的实际有些的数据位宽小于实际的data channel的位宽，则为Narrow Transfer。在Narrow Transfer中，AXI总线的某些数据位宽不会被使用，因此需要通过写使能信号（WSTRB）来指示哪些字节通道是有效的。

注意，只有写通道有STRB信号，也就是Narrow Transfer只是会发生在写通道。这也很好理解，读数据是slave返回的， 使用STRB信号并不会带来任何收益，需要的带宽不会减少，而且还需要增加一个信号，更好的方式是把数据都读回来，master需要用哪些自己来决定。
注意：WSTRB并不是Narrow transfer的充分必要条件，也就是说出现了WSTRB并不代表这个tranfer就是Narrow Transfer. 在非对齐的传输中，也会用到WSTRB，而且协议并没有规定WSTRB是连续的。
协议规定的Narrow Tansfer分为两种不同情况：
1.如果是INCR 或者 WRAP Burst，那么每个transfer(beat)使用不同的byteLane；
2.如果是FIXED Burst，那么每个transfer(beat)使用相同的byteLane；
如下图中起始地址是0，INCR Burst Len=5, 总线宽度是32bit，transfer是8bit，传输情况如下：

那么这种情况下，AWSIZE是多少呢？



可以看到，SIZE表明的是每个传输中最大的byte数，这里需要注意是最大。所以这里AWSIZE=0b00;
那么对于下面的BURST=2, 数据位宽是32bit的传输属于Narrow transfer吗？

显然这里不符合每个transfer(beat)使用不同的byteLane的条件，所以不是Narrow Transfer。这种传输在实际的Master里面还是比较常见的。
另外这里的AWSIZE=0b010 (4byte per transfer)
所以协议虽然没有明确说明，但是从协议的规定可以看到：
1.如果burst length =1，有WSTB就可以认为是Narrow transfer，也可以认为是非Narrow tranfer，对传输无影响，slave通过WSTB来解析数据就可以。
2.如果burst length >1，那么Narrow Transfer的burst的AWSIZE必须小于数据位宽能传输的最大byte数，也就是每个tranfer的数据量都必须小于数据通道的位宽才行，而且必须满足每个transfer(beat)使用不同的byteLane。
后记技术很重要，技术背后的思想更重要！
技术背后的某些思想就是你解决以后问题的钥匙。我的文章可能一篇中知识点不太多，但是力求让你能深入理解，为你进阶打下基础。如果有一点点收获，也算是我对中国芯片行业的一点点贡献吧。
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