ARM系列-CXS基礎(chǔ)知識(shí)介紹

CXS （Credited eXtensible Stream）是一個(gè)流接口協(xié)議，主要用于點(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point）的數(shù)據(jù)包通信。CXS接口的主要使用情形是在片上互連和PCIe控制器。CXS中的數(shù)據(jù)傳輸是單向的，因此一般CXS接口是收/發(fā)成對(duì)出現(xiàn)的。

看到這里，是不是想起了什么？沒(méi)錯(cuò)，就是AXI-Stream，同樣也是點(diǎn)到點(diǎn)的流接口傳輸，比如中斷控制器GIC的組件之間就采用了AXI-Stream。AXI-Stream在 FPGA中應(yīng)用較多，尤其是多媒體領(lǐng)域。

CXS接口的數(shù)據(jù)傳輸是單向的，兩端是Transmitter（TX）和Receiver（RX）。一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱作flit。一個(gè)數(shù)據(jù)包可以占用一個(gè)或多個(gè)flit組成。

CXS的接口信號(hào)分為兩部分，一部分是必須包含的，另一部分是可選信號(hào)。其中必須實(shí)現(xiàn)的信號(hào)如下（以下用正粗體表示信號(hào)，斜粗體表示屬性）：

從接口信號(hào)上看，并沒(méi)有READY信號(hào)，也就是說(shuō)CXS不像其它的AMBA總線，比如AXI，是通過(guò)“VALID - READY”來(lái)控制流量。

正如名字中的含義，CXS接口上的流量控制（flow control）通過(guò)信用交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)。其信用機(jī)制規(guī)則如下：

• 僅當(dāng)TX有信用值時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)
• 當(dāng)接口剛完成復(fù)位或者是第一次active，TX沒(méi)有信用值，不能發(fā)送數(shù)據(jù)
• RX通過(guò)CXSCRDGNT信號(hào)授予TX信用
• 在CXSCRDGNT被RX置位的每個(gè)時(shí)鐘周期，RX授予一個(gè)信用值給TX。每個(gè)信用值可用作一次flit傳輸。
• RX必須保證每釋放一個(gè)信用值，即可接收一個(gè)flit
• TX置位 CXSVALID ，每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)送一個(gè)flit，占用一個(gè)信用值
• RX可以授予TX的最大信用值數(shù)由CXS_MAX_CREDIT屬性決定
• TX只有等到CXSCRDGNT被置位之后，得到信用才能發(fā)送flit
• 可選，TX可以通過(guò)CXSCRDRTN返還信用值給RX，無(wú)需發(fā)送flit
• RX不能重用已消耗或返回的信用
• 如果TX在發(fā)送flit或者返回給RX信用的同時(shí)接收到一個(gè)信用，則TX端的可用信用數(shù)不變

正常情況下，TX發(fā)送一個(gè)flit給RX，同時(shí)消耗一個(gè)信用值；RX接收到flit，如果有能力接收更多的flit，則可以授予TX一個(gè)信用值；隨后，TX得到新的信用值。從TX消耗信用值到得到新的信用值，這段時(shí)間稱為信用延遲（credit latency）。為保證TX能夠源源不斷的發(fā)送數(shù)據(jù)，則需要設(shè)計(jì)好最大可用的信用數(shù)量，以保證不會(huì)由于信用延遲造成的斷流。

CXS接口的屬性包括以下：

其中，TX和RX的屬性可以單獨(dú)設(shè)置。

CXS的完整接口信號(hào)列表如下：

其中，CXSLAST用于連續(xù)傳輸；CXSPRCLTYPE用于支持多種協(xié)議類型。

當(dāng)CXSCHECKTYPE 屬性被設(shè)置成Odd_Byte_Parity，CXS接口上會(huì)增加額外的信號(hào)線，用于增強(qiáng)接口信號(hào)的完整性。對(duì)于單bit信號(hào)線，增加一個(gè)bit，比如 CXSVALID ，增加一個(gè)信號(hào) CXSVALIDCHK ；對(duì)于多bit信號(hào)，每8bit增加一個(gè)信號(hào)，比如256-bit的 CXSDATA ，增加一個(gè)32-bit信號(hào) CXSDATACHK 。增加的信號(hào)與原信號(hào)相加為奇數(shù)。

CXS對(duì)每個(gè)flit中的數(shù)據(jù)包放置進(jìn)行了限制，以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)路徑實(shí)現(xiàn)：

• 數(shù)據(jù)包的第一個(gè)byte必須是16-byte對(duì)齊的邊界
• 數(shù)據(jù)包的后續(xù)字節(jié)占用flit的后續(xù)字節(jié)
• 數(shù)據(jù)包可以在任何4-byte對(duì)齊的邊界上結(jié)束。
• 從字節(jié)位置開(kāi)始的數(shù)據(jù)包將占用該flit中的每個(gè)后續(xù)字節(jié)，直到數(shù)據(jù)包結(jié)束或flit結(jié)束。
• 如果flit結(jié)束時(shí)數(shù)據(jù)包中還有剩余字節(jié)，則該數(shù)據(jù)包將從下一個(gè)flit的字節(jié)[0]開(kāi)始，并占據(jù)隨后的每個(gè)字節(jié)位置，直到數(shù)據(jù)包結(jié)束或flit結(jié)束。
• 當(dāng)數(shù)據(jù)包在flit中結(jié)束時(shí)，flit中的剩余字節(jié)可以不使用。
• flit中的任何數(shù)據(jù)包必須從相對(duì)于flit開(kāi)始或前一數(shù)據(jù)包結(jié)束的第一個(gè)可用16-byte邊界開(kāi)始。

CXSCNTL信號(hào)總線可以分為五個(gè)字段，分別為：START，START[N:0]PTR，END，ENDERROR和END[N:0]PTR。下面分別解釋。

下圖給出CXSCNTL信號(hào)的組成示例。當(dāng)屬性 **CXSMAXPKTPERFLIT ** = 4，屬性 **CXSDATAFLITWIDTH ** = 512時(shí)，CXSCNTL信號(hào)共有36-bit。

CXS接口傳輸滿足以下要求的數(shù)據(jù)包大小需滿足：

• 至少為4字節(jié)
• 為4字節(jié)的倍數(shù)
• 數(shù)據(jù)大小沒(méi)有上限

如果CXS用于CCIX數(shù)據(jù)包傳輸，需要遵守CCIX的約定。

協(xié)議中給出了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)睦?，看一個(gè)比較復(fù)雜的示例。屬性 ***CXSMAXPKTPERFLIT *** = 4， ***CXSDATAFLITWIDTH *** = 512， ***CXSCONTINUOUSDATA *** = true，Protocol 0用于可變長(zhǎng)數(shù)據(jù)包，Protocol 1用于固定長(zhǎng)64-byte數(shù)據(jù)包。在Protocol 0中，P0D和P0E分組必須保持在一起；在Protocol 1中，P1B和P1C分組必須保持在一起，P1E，P1F和P1分組必須保持在一起。

當(dāng)屬性 **CXSLINKCONTROL _ ** = Explicit *Credit *Return，CXS接口上會(huì)多出一組信號(hào)， CXSCRDRTN ， CXSACTIVEREQ ，CXSACTIVEACK和 CXSDEACTHINT 。

其中 CXSACTIVEREQ ，CXSACTIVEACK實(shí)現(xiàn)四相位的握手機(jī)制。握手機(jī)制共分為四種狀態(tài)：

• 1. STOP
• CXS接口在STOP狀態(tài)時(shí)沒(méi)有任何操作，所有的信用被RX收回
• STOP是一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，CXS接口可以無(wú)限期保持在STOP
• RX此時(shí)不可以接收f(shuō)lit，也不可以授予信用
• TX此時(shí)不可以發(fā)送flit，也不可以返還信用
• 如果TX有flit等待發(fā)送，需要從STOP狀態(tài)轉(zhuǎn)移到ACTIVATE狀態(tài)
• 2. ACTIVATE
• 此狀態(tài)為STOP到RUN的過(guò)渡
• 期望進(jìn)入此狀態(tài)后，期待CXS通路很快進(jìn)入RUN狀態(tài)
• 此狀態(tài)下，TX必須接收信用，但還不可以發(fā)送flit
• RX此時(shí)不可以接收f(shuō)lit，也不可以授予信用
• RX不可以在狀態(tài)ACTIVATE下發(fā)送信用。但是允許RX在進(jìn)入RUN狀態(tài)的同一周期內(nèi)發(fā)送信用。由于存在潛在的競(jìng)爭(zhēng)條件，因此TX在ACTIVATE狀態(tài)下可能會(huì)收到信用
• 當(dāng)RX準(zhǔn)備好接收f(shuō)lit時(shí)，它可以從ACTIVATE狀態(tài)轉(zhuǎn)移到RUN狀態(tài)
• 3. RUN
• TX和RX在此狀態(tài)下傳輸flit
• RUN狀態(tài)是穩(wěn)定狀態(tài)，CXS通道可以一直保持在RUN狀態(tài)
• RX可以接收f(shuō)lit，授予信用，接收返還的信用
• TX可以發(fā)送flit，，接收信用
• TX允許返還信用給RX
• TX可以在某些情況下從RUN狀態(tài)切換到DEACTIVATE狀態(tài)，比如TX沒(méi)有flit可以發(fā)送了
• 4. DEACTIVATE
• 此狀態(tài)用于從RUN到STOP的過(guò)渡
• DEACTIVATE是一個(gè)中間狀態(tài)
• 在進(jìn)入此狀態(tài)前，TX必須停止發(fā)送flit，由于潛在的競(jìng)爭(zhēng)條件，RX有可能在此狀態(tài)下接收f(shuō)lit
• RX可以發(fā)送信用，當(dāng)RX發(fā)現(xiàn)TX返還信用時(shí)必須停止繼續(xù)發(fā)送信用
• RX可以接收TX返還的信用
• TX必須發(fā)送信用返回，以便將所有信用返回給RX。
• 只有當(dāng)所有信用都已返回時(shí)，RX才能退出該狀態(tài)并移至STOP狀態(tài)。

四種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的關(guān)系如下圖：

TX始終負(fù)責(zé)啟動(dòng)從RUN到STOP，或從STOP到RUN的狀態(tài)更改，例如：

• TX端有flit等待發(fā)送，所以需要從STOP轉(zhuǎn)移到RUN
• TX端沒(méi)有flit可以發(fā)送，可以從RUN切換到STOP
• TX可以觀測(cè)一個(gè)獨(dú)立的邊帶信號(hào)，判斷是否需要從RUN移動(dòng)到STOP，或從STOP移動(dòng)到RUN
• TX可以觀測(cè)RX發(fā)出的CXSDEACTHINT來(lái)判斷是否需要從RUN轉(zhuǎn)移到STOP

當(dāng)接口的一方同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)操作時(shí)，即存在競(jìng)爭(zhēng)條件。CXS規(guī)范允許數(shù)據(jù)流和鏈路控制信號(hào)組之間存在不同的延遲。因此，到達(dá)時(shí)的操作順序可能與發(fā)出的順序不同。競(jìng)爭(zhēng)條件之所以會(huì)存在，是因?yàn)椴灰?strong>CXSACTIVEREQ和CXSACTIVEACK信號(hào)不需要在TX和RX之間的其它信號(hào)具有相同的延遲。

CXS接口信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系如下。

• CXSVALID，CXSDATA，CXSCNTL和CXSCRDRTN必須是同步關(guān)系，且具有相同的延時(shí)
• CXSCRDGNT，CXSACTIVEACK，CXSDEACTHINT必須是同步，但是可以有任意延時(shí)
• CXSACTIVEREQ必須是同步驅(qū)動(dòng)，但是接收端可以異步接收，且可以任意延時(shí)

來(lái)看一個(gè)例子。

1. 1.T0時(shí)刻，TX和RX都處于STOP狀態(tài)，兩邊都可以關(guān)斷時(shí)鐘，甚至電源；
2. 2. T1時(shí)刻，TX置位 CXSACTIVEREQ ，從STOP轉(zhuǎn)移到ACTIVATE；TX等待RX啟動(dòng)；
3. 3.T6時(shí)刻，RX完成啟動(dòng)，置位 CXSACTIVEACK ；
4. 4. CXSCRDGNT與CXSACTIVEACK**在同一時(shí)刻被置位；
5. 5. T7時(shí)刻，TX接收到一個(gè)信用，發(fā)送一個(gè)flit；
6. 6. TX在接收到更多信用后，連續(xù)發(fā)送flit。

某些情況下，CXS通道不能中斷數(shù)據(jù)流，例如PCIe。這時(shí)，需要TX和RX實(shí)現(xiàn)一個(gè)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（store-and-forward）buffer。

如果RX內(nèi)置了這個(gè)buffer，數(shù)據(jù)包可以被下游完整接收。RX必須有足夠的空間來(lái)存儲(chǔ)TX所能發(fā)送的最大數(shù)據(jù)包。這種情況下，TX和RX可以設(shè)置屬性 *** CXSCONTINUOUSDATA * ** = False。TX無(wú)需緩存數(shù)據(jù)包。

如果RX沒(méi)有緩沖區(qū)并且需要連續(xù)數(shù)據(jù)，則它會(huì)將** *CXSCONTINUOUSDATA *屬性設(shè)置為True，并且TX也必須將 *CXSCONTINUOUSDATA ***設(shè)置為True。然后，TX必須能夠在不依賴其它接口的情況下發(fā)出數(shù)據(jù)包內(nèi)的所有flit。

如果需要連續(xù)流量，必須確保RX有足夠的信用來(lái)覆蓋最壞情況下的往返信用延遲：

• RX和TX之間的CXSCRDGNT延遲
• TX端的CXSTXCRDGNT和CXSTXVALID之間的最大內(nèi)部延遲，由TX的CXS_MAX_CREDIT_LATENCY屬性描述
• RX和TX之間的CXSVALID延遲
• RX端的CXSTXVALID和CXSTXCRDGNT之間的最大內(nèi)部延遲，由RX的CXS_MAX_CREDIT_LATENCY屬性描述

RX可以發(fā)出的最大信用數(shù)取決于其緩沖區(qū)的大小，可以通過(guò)其** CXS MAX *CREDIT ***屬性來(lái)描述。

如果下游接口的時(shí)鐘比CXS鏈路慢，則可能不需要每個(gè)周期發(fā)送一個(gè)flit。在這種情況下，RX保持恒定流量所需的信用數(shù)可能小于往返延遲。