【数字ic自整资料】AXI握手协议及outstanding

参考资料：

ic基础|时序篇：握手协议valid和ready的时序优化_valid和ready握手信号-CSDN博客

https://zhuanlan.zhihu.com/p/365573848

1、AXI握手协议

当我们遇到时序违例时，通常采用的方式为插入寄存器（打拍）或者是后端插入buffer，这对使能信号或数据信号是有用的，但是对于那些需要满足握手协议的信号来说（例如：AXI协议中的多组握手信号xxready和xxvalid）单纯的打拍是行不通的，因为需要满足valid-ready协议，如果仅仅使用打拍很容易丢失数据。

因此，需要采取特殊的方法进行打拍，这种针对AXI协议中握手信号的打拍通常称为axi register slice，通常来说，根据需要打拍的信号的不同有三种模式：

前向寄存器Forward Registered ：对valid和data路打拍。

后向寄存器Backward Registered ：对ready路打拍。

双向寄存器Forward-Backward Registered ：同时对valid/data路和ready路打拍。

（1）Forward Registered

Forward指的是从数据发送方到数据接收方之间的数据传递方向，为了保持时序上的一致性，需要打拍的当然不止是valid信号，还得包括data信号。否则，valid信号和data信号对不齐的话，数据传输会出错。

对于forward寄存器打拍，我们所要考虑的是何时可以往寄存器里打拍，即满足以下两个条件之一：

1.forward寄存器里是空的；

2.forward寄存器非空，但是接收端准备好接收数据了；

module forward_buffer(
   input  wire         clk         ,
   input  wire         rst_n       ,
   input  wire         valid_src   ,
   input  wire [31:0]  data_src,
   output wire         ready_src   ,
   output reg          valid_dst   ,
   output reg  [31:0]  data_dst    ,
   input  wire         ready_dst
);
   always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
      if (!rst_n) begin
          valid_dst   <= 1'b0;
      end else if (ready_src) begin
          valid_dst   <= valid_src;
      end
   end   
  
   always @(posedge clk) begin 
      if (valid_src & ready_src) begin
          data_dst    <= data_src;
      end
   end

   assign ready_src = ready_dst || (~valid_dst);

endmodule

（2）Backward Registered

Backward指的是接收端向输入端发送的ready信号这条路径，虽然只有ready这一个信号，但是我们也不能简单的对其进行打拍处理。因为，如果只对ready信号打拍，而不对valid和data信号进行处理，很容易导致两端握手信号将会无法正确同步，而导致数据丢失。

module backward_buffer(
    input  wire         clk         ,
    input  wire         rst_n       ,
    input  wire         valid_src   ,
    input  wire [31:0]  data_src    ,
    output reg          ready_src   ,
    output wire         valid_dst   ,
    output wire [31:0]  data_dst    ,
    input  wire         ready_dst
);


    reg [31:0] data_r;
    reg        valid_r;

    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            valid_r <= 1'b0;
        end else if (ready_dst) begin
            valid_r <= 1'b0;
        end else if (valid_src & ready_src & ~ready_dst) begin
            valid_r <= 1'b1;
        end
    end

    always @(posedge clk) begin
        if (!rst_n) begin
            data_r <= 1'b0;
        end else if (valid_src & ready_src & ~ready_dst) begin
            data_r <= data_src;
        end
    end

    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            ready_src <= 1'b1;
        end else if (ready_dst) begin
            ready_src <= 1'b1;
        end else if (valid_src) begin
            ready_src <= 1'b0;
        end
    end 

    assign valid_dst = ready_src ? valid_src : valid_r;
    assign data_dst = ready_src ? data_src : data_r;

endmodule

单看代码有点复杂了……，来一个个信号看。相比于前向寄存器，后向寄存器单独创建了两个中间寄存器，valid_r用来对发送端的valid_src进行暂存。

当接收端ready_dst信号为1时，置0，此时代表接受端有能力接受数据，因此无需进行暂存；而当发送端valid_src信号有效，ready_src有效，代表发送方完成了一次握手，若此时接受端ready_dst无效，则代表此时需要缓存数据（即将valid_r置1），以避免丢失。（ready_dst的信号还没传递到src端）

data_r和valid_r同理。

ready_src用于在接收端未准备好时，一旦发送端准备好数据，即可暂存data_src。当ready_dst=0且valid_src=1时暂存一拍。

valid_dst和data_src这两个信号受到ready_src的控制，ready_src=1时直接传递发送端口的数据，ready_src=0时使用寄存器暂存的数据。

（3）Forward-Backward Registered

即对valid/data和ready都进行时序优化的寄存器，我们可以使用上面提到的Forward Registered 和Backward Registered拼合在一起即可得到Forward-Backward Registered。

其中，Backward Registered靠近dst端，Forward Registered靠近src端。

2、AXI的outstanding

首先要理解概念，什么是outstanding？

当需要传输一段数据时，在正常情况下，我们需要等到地址握手成功才能传输。但是每一次握手过程中都不能保证主从机此刻都准备好，那这样在数据传输过程中就难免会有气泡，难以实现真正的全流水和满性能。所以从设计的角度，我们就有多发几个地址的需求，比如我们可以发出去10个地址，尽管我们还没给数据，但是可以让从机知道，我们接下来要向这些地址写数据，这样就可以不用刻板地遵循，每次都要写地址握手成功再写数据。

outstanding就是发出去的地址数量，未处理的地址可以先存放在AXI总线的缓存里，等完成一次传输事物之后，无需再握手传输地址，即可立即进行下一次的数据传输，所以outstanding本质上是为了实现数据传输的pipeline。

那么如何计算outstanding数量的最大值呢。

有几个重要参数：

期望的最大带宽，在满带宽情况下最大值自然是数据源源不断的传输，即Expected Bandwidth = AXI Clock Frequency x AXI Data Width

往返时延，即AXI总线数据由于握手信号的等待而产生的传输延迟，用Round Trip Latency表示。

因此，如果要满足数据传输没有气泡，即在总线上由延迟产生的空位全被outstanding的数据填满，等式：