最近在工作中發(fā)現(xiàn)，雖然從使用AXI到現(xiàn)在已經(jīng)十幾年了，但是對(duì)有些概念的理解還是不太深入，比如Atomic 傳輸和Narrow burst。下面總結(jié)一下Atomic 傳輸。

Atomic 傳輸

AXI協(xié)議中的Atomic傳輸是一種用于實(shí)現(xiàn)在多核處理器系統(tǒng)中對(duì)內(nèi)存進(jìn)行原子操作的機(jī)制。

1. 原子操作

原子操作（Atomic Operation）是指在多任務(wù)或多線程環(huán)境中，一個(gè)操作或者一系列操作作為一個(gè)不可分割的單元執(zhí)行，要么完全執(zhí)行，要么完全不執(zhí)行，不存在中間狀態(tài)。這種操作對(duì)于保證數(shù)據(jù)一致性、實(shí)現(xiàn)同步機(jī)制以及防止競(jìng)爭(zhēng)條件（Race Condition）非常重要。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，原子操作通常有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

• 不可分割性：原子操作在執(zhí)行過程中不會(huì)被任何其他任務(wù)或線程中斷。

• 一致性：原子操作保證了在并發(fā)環(huán)境中對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問是一致的，不會(huì)出現(xiàn)不一致的中間狀態(tài)。

• 順序性：在多線程環(huán)境中，原子操作的執(zhí)行順序?qū)τ谒芯€程都是可見的，即在一個(gè)線程中觀察到的操作順序與在其他線程中觀察到的順序是一致的。

原子操作的常見類型包括：

• 原子比較并交換（Compare-and-Swap, CAS）：這是一種常用的原子操作，它比較內(nèi)存中的值與預(yù)期值，如果相同則更新為新值。

• 原子交換（Swap）：將內(nèi)存位置的值與提供的值交換。

• 原子添加（Add）：將一個(gè)值添加到內(nèi)存位置的現(xiàn)有值。

• 原子或/與/異或（Logical Operations）：對(duì)內(nèi)存位置的值執(zhí)行邏輯操作。

在硬件層面，許多處理器提供了對(duì)原子操作的支持，例如通過特定的CPU指令來實(shí)現(xiàn)。在軟件層面，編程語言和庫(kù)通常提供了原子操作的抽象，使得程序員可以在不直接依賴硬件特性的情況下實(shí)現(xiàn)線程安全的操作。

在多核處理器系統(tǒng)中，原子操作對(duì)于實(shí)現(xiàn)鎖和其他同步機(jī)制至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛梢杂脕韺?shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的安全訪問。例如，原子操作可以用來實(shí)現(xiàn)互斥鎖（Mutex），在多線程程序中同步對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問。

雖然軟件層面也能實(shí)現(xiàn)原子操作，但是隨著異構(gòu)多核系統(tǒng)越來越復(fù)雜，純軟件的支持代價(jià)太大甚至不能實(shí)現(xiàn)，所以都需要硬件層面從CPU到總線整個(gè)系統(tǒng)的支持。

1. AXI3的原子操作

在AXI3協(xié)議中，原子操作主要有兩種類型：Exclusive（獨(dú)占）和Locked（鎖定）。

AXI3中的原子操作通過AxLOCK信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)AxLOCK信號(hào)被置位時(shí)，表示正在進(jìn)行原子操作。如果AxLOCK為'b10，表示Locked訪問；如果為'b01，則表示Exclusive訪問。

Locked訪問則是一種較老的機(jī)制，它在AXI3中使用，但對(duì)總線性能影響較大，因?yàn)樗鼤?huì)鎖定整個(gè)從設(shè)備，阻止其他主設(shè)備在鎖定期間對(duì)其的訪問。Locked訪問在AXI4中被舍棄，因?yàn)檫@種模式會(huì)阻塞整個(gè)總線，影響性能。

Exclusive訪問允許多個(gè)主設(shè)備同時(shí)訪問不同的從設(shè)備地址，但不允許其他主設(shè)備訪問已被標(biāo)記為獨(dú)占的特定地址。這種機(jī)制不會(huì)阻塞整個(gè)總線，而是通過Monitor來記錄獨(dú)占訪問的地址，從而確保原子性。

實(shí)際的SOC中，很少有使用Locked的訪問，這個(gè)對(duì)系統(tǒng)影響太大。我們了解一下就可以，實(shí)際基本不會(huì)使用。如果你設(shè)計(jì)了一個(gè)IP必須支持locked訪問，估計(jì)都不會(huì)有公司愿意買。

1. AXI4的原子操作

在AXI4中，為了提高性能和減少對(duì)總線性能的影響，只有Exclusive訪問被保留，而Locked訪問模式被舍棄。

Exclusive訪問通過AxLOCK信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)（RRESP和BRESP）來實(shí)現(xiàn)，其中EXOKAY表示獨(dú)占訪問成功，而OKAY則表示獨(dú)占訪問失敗。

注意：這里EXOKAY才表示獨(dú)占訪問成功！

AXI3和AXI4對(duì)比如下：

AXI3的AxLOCK有2個(gè)bit，AXI4只有一個(gè)bit。

AXI4中這個(gè)信號(hào)名只是為了延續(xù)，其實(shí)有一定的誤導(dǎo)性，AxLOCK并沒有LOCK的功能。

1. AXI5的原子操作

到了AXI5協(xié)議，引入了更多類型的原子操作，包括Atomic Store、Atomic Load、Atomic Swap和Atomic Compare。這些操作允許在數(shù)據(jù)所在的位置上執(zhí)行操作，而不需要將數(shù)據(jù)移動(dòng)到發(fā)起操作的代理處。這種機(jī)制減少了系統(tǒng)中其他代理無法訪問數(shù)據(jù)的時(shí)間，提高了效率。AXI5中的原子操作通過新增的AWATOP信號(hào)來標(biāo)識(shí)原子操作的類型和具體的操作類型。

在AXI5協(xié)議中，Atomic傳輸?shù)玫搅嗽鰪?qiáng)，支持更多的原子操作類型，包括原子存儲(chǔ)（Atomic store）、原子加載（Atomic load）、原子交換（Atomic swap）和原子比較（Atomic compare）。這些操作允許處理器在不鎖定總線的情況下，對(duì)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)執(zhí)行原子級(jí)別的讀寫操作。

• Atomic store：發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)值與地址和要執(zhí)行的原子操作，目標(biāo)執(zhí)行使用發(fā)送的數(shù)據(jù)和地址位置的值作為操作數(shù)的操作，并將結(jié)果存儲(chǔ)在地址位置，通過B通道返回單個(gè)響應(yīng)而不帶數(shù)據(jù)。

• Atomic load：發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)值與地址和要執(zhí)行的原子操作，返回原始數(shù)據(jù)值，目標(biāo)執(zhí)行使用發(fā)送的數(shù)據(jù)和地址位置的值作為操作數(shù)的操作，并將結(jié)果存儲(chǔ)在地址位置，通過R通道返回訪問地址空間的原始數(shù)據(jù)。

• Atomic swap：發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)值與地址，不需要原子操作，目標(biāo)交換地址位置的值與提供的值，返回原始數(shù)據(jù)值，通過B通道返回單個(gè)響應(yīng)而不帶數(shù)據(jù)。

• Atomic compare：發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)值，比較值和交換值，到地址位置，比較地址位置的數(shù)據(jù)值與比較值，如果匹配則寫入交換值，否則不寫入，返回原始數(shù)據(jù)值，通過B通道返回單個(gè)響應(yīng)而不帶數(shù)據(jù)。

在AXI4和AXI5協(xié)議中，原子操作通過AW和W通道發(fā)送請(qǐng)求，并通過B和R通道返回響應(yīng)。AW通道在AXI4的基礎(chǔ)上增加了AWATOP[5:0]信號(hào)，用于標(biāo)識(shí)原子操作的類型和具體的操作類型；W通道傳遞原始的操作數(shù)。Atomic store和atomic load操作都需要通過AW和W通道發(fā)送地址、長(zhǎng)度、原子類型和操作，都需要從內(nèi)存讀取地址位置的原始數(shù)據(jù)，都需要進(jìn)行ALU運(yùn)算，然后將新值存回地址位置。兩者的主要區(qū)別在于原子操作完成后的響應(yīng)和數(shù)據(jù)返回：atomic store通過B通道返回一個(gè)原子響應(yīng)；而atomic load通過R通道返回訪問地址空間的原始數(shù)據(jù)。

總結(jié)一下：

1. AXI3 協(xié)議中的原子操作主要是通過Exclusive和Locked訪問來實(shí)現(xiàn)的，Locked訪問在后續(xù)被放棄，可以只做了解。

2. AXI4和AXI5都只支持Exclusive，這個(gè)是AXI協(xié)議支持原子操作的重點(diǎn)；

3. AXI5引入了更多類型的原子操作，增加了AWATOP[5:0]信號(hào)，但是AXI5 協(xié)議在現(xiàn)實(shí)中用的比較少，還是AXI4比較常見，可以只做了解，具體使用的時(shí)候去查協(xié)議對(duì)照就行，不用花太多時(shí)間。

   
   

1. 舉例說明

下面是兩個(gè)成功的獨(dú)占訪問序列的例子，這兩個(gè)訪問序列都PASS了。

下圖展示了一個(gè)包含管理器及其AXI管理器接口和從屬設(shè)備的系統(tǒng)：

從屬接口包括可以為每個(gè)事務(wù)保存ID和訪問地址的獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件。

下表描述了示例序列中的不同事務(wù)。表中的所有事務(wù)都是獨(dú)占訪問：

表格中顯示的事務(wù)序列按如下方式進(jìn)行：

1. 第一筆傳輸是管理器從地址0xA000進(jìn)行帶有ID 0的獨(dú)占讀取事務(wù)。獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件在其表中保存了此事務(wù)的ID和地址，從屬設(shè)備以讀取數(shù)據(jù)0x1作為響應(yīng)。由于這個(gè)從屬設(shè)備支持獨(dú)占訪問，獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件以EXOKAY響應(yīng)作為回應(yīng)。

2. 第二筆傳輸管理器從地址0xB000執(zhí)行帶有ID 1的新的獨(dú)占讀取事務(wù)。同樣，獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件在表中保存了這個(gè)新事務(wù)的詳細(xì)信息，從屬設(shè)備以讀取數(shù)據(jù)0x2作為響應(yīng)。由于這個(gè)從屬設(shè)備支持獨(dú)占訪問，獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件再次以EXOKAY響應(yīng)作為回應(yīng)。此時(shí)，有兩筆獨(dú)立的獨(dú)占序列正在進(jìn)行。

3. 第三筆傳輸管理器對(duì)地址0xA000執(zhí)行帶有ID 0的獨(dú)占寫入事務(wù)。獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件在表中檢查此事務(wù)的詳細(xì)信息，并且由于存在帶有ID 0和地址0xA000的現(xiàn)有記錄，以EXOKAY響應(yīng)回復(fù)管理器。這意味著沒有其他管理器訪問過這個(gè)內(nèi)存位置，從屬設(shè)備用它接收到的新值更新它，在這個(gè)例子中是0x3。獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件從其表中移除了這個(gè)事務(wù)的ID和地址，因?yàn)閷?duì)該地址位置的獨(dú)占訪問序列現(xiàn)在已完成。

4. 第四筆傳輸管理器對(duì)地址0xB000執(zhí)行帶有ID 1的新的獨(dú)占寫入事務(wù)。獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件在表中檢查此事務(wù)的詳細(xì)信息?？吹酱嬖趲в蠭D 1和地址0xB000的現(xiàn)有記錄，它再次以EXOKAY響應(yīng)回復(fù)管理器。這意味著沒有其他管理器訪問過這個(gè)內(nèi)存位置，從屬設(shè)備用它接收到的新值更新它，在我們的示例中是0x4。同樣，獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件從其表中移除了這個(gè)事務(wù)的ID和地址，因?yàn)閷?duì)該地址位置的獨(dú)占訪問序列現(xiàn)在已完成。

下面是一個(gè)成功的獨(dú)占訪問序列和一個(gè)失敗的獨(dú)占訪問序列的例子。

下圖包含管理器及其AXI管理器接口和從屬設(shè)備的系統(tǒng)，兩個(gè)獨(dú)占訪問序列，第一個(gè)成功，第二個(gè)失敗。

從屬接口包括可以為每個(gè)事務(wù)保存訪問的ID和地址的獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件。下表描述了示例序列中的不同事務(wù)。表中的所有事務(wù)都是獨(dú)占訪問：

表格中顯示的事務(wù)序列按如下方式進(jìn)行：

1. 第一筆傳輸是管理器地址0xA000進(jìn)行帶有ID 0的獨(dú)占讀取事務(wù)。獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件在其表中保存了此事務(wù)的ID和地址，從屬設(shè)備以讀取數(shù)據(jù)0x1作為響應(yīng)。由于這個(gè)從屬設(shè)備正確支持獨(dú)占訪問，獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件以EXOKAY響應(yīng)作為回應(yīng)。

2. 第二筆傳輸管理器從與第一筆交易相同的地址0xA000執(zhí)行了帶有ID 1的新獨(dú)占讀取事務(wù)。獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件在表中保存了這個(gè)新事務(wù)的詳細(xì)信息，從屬設(shè)備以讀取數(shù)據(jù)0x1作為響應(yīng)。同樣，因?yàn)檫@個(gè)從屬設(shè)備正確支持獨(dú)占訪問，獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件再次以EXOKAY響應(yīng)作為回應(yīng)。在我們的示例中，此刻我們有兩個(gè)針對(duì)相同內(nèi)存位置的不同進(jìn)行中的獨(dú)占序列。

3. 第三筆傳輸管理器對(duì)地址0xA000執(zhí)行了帶有ID 0的獨(dú)占寫入事務(wù)。獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件檢查表中此事務(wù)的詳細(xì)信息，并看到有記錄顯示ID 0和地址0xA000，于是以EXOKAY響應(yīng)回復(fù)管理器。這意味著沒有其他管理器更新過這個(gè)內(nèi)存位置，從屬設(shè)備可以用接收到的新值更新它，在我們的例子中是0x3。因?yàn)榈刂肺恢?xA000的內(nèi)容已被修改，獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件從其表中移除了所有匹配該位置地址的條目。

4. 第四筆傳輸管理器再次對(duì)地址0xA000執(zhí)行了帶有ID 1的新獨(dú)占寫入事務(wù)。獨(dú)占訪問監(jiān)控硬件檢查表中此事務(wù)的詳細(xì)信息。沒有找到任何帶有地址0xA000的記錄，它以O(shè)KAY響應(yīng)作為回應(yīng)。OKAY響應(yīng)意味著之前在這個(gè)內(nèi)存位置上執(zhí)行了寫入操作，該操作更新了數(shù)據(jù)。在這種情況下，從屬設(shè)備無法用新值0x4更新內(nèi)存位置。這種情況是獨(dú)占訪問失敗。在這種情況下，管理器必須重新啟動(dòng)完整的獨(dú)占訪問序列，從獨(dú)占讀取開始，然后再執(zhí)行獨(dú)占寫入。

這兩個(gè)例子展示了獨(dú)占訪問如何實(shí)現(xiàn)非阻塞行為。由于LOCK訪問基本不用，這里就不舉例說明了。

總的來說，AXI協(xié)議中的Atomic傳輸是一種重要的機(jī)制，它允許在多核系統(tǒng)中安全地執(zhí)行對(duì)共享內(nèi)存的原子操作，從而保證了數(shù)據(jù)的一致性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而ARM更新AXI協(xié)議也主要是為了它的CPU服務(wù)的，在其他非cpu核心的ip中碰到Atomic傳輸?shù)母怕时容^小，但是對(duì)整個(gè)SOC系統(tǒng)來說，Atomic傳輸還是必須掌握的知識(shí)。

當(dāng)然大家現(xiàn)在都知道，RSIC-V才是未來，那么RSIC-V是怎么支持原子操作的呢？

1. RISC-V的原子操作

RISC-V通過指令的A擴(kuò)展（Atomic Extensions）來實(shí)現(xiàn)原子操作指令。RISC-V 的 A 擴(kuò)展提供了兩種指令集來實(shí)現(xiàn)原子操作：一種是 LR/SC（Load-Reserved/Store-Conditional）指令對(duì)，另一種是 AMO（Atomic Memory Operations）指令。

下面簡(jiǎn)要介紹這兩種指令集：

1. LR/SC（Load-Reserved/Store-Conditional）指令對(duì)：

1. Load-Reserved (LR)：這條指令用于加載一個(gè)內(nèi)存地址的值，并且“保留”這個(gè)地址，意味著在之后的一段時(shí)間內(nèi)，其他處理器對(duì)這個(gè)地址的訪問將會(huì)被阻塞，直到與之配對(duì)的Store-Conditional (SC) 指令執(zhí)行。這為執(zhí)行原子操作提供了一種機(jī)制。

2. Store-Conditional (SC)：這條指令嘗試將一個(gè)新值存儲(chǔ)到之前由Load-Reserved保留的內(nèi)存地址中。如果自從執(zhí)行Load-Reserved以來，沒有其他處理器對(duì)這個(gè)地址進(jìn)行了寫入，那么Store-Conditional會(huì)成功更新內(nèi)存并返回成功信號(hào)；如果有其他處理器進(jìn)行了寫入，它會(huì)失敗并返回失敗信號(hào)，此時(shí)通常需要重試整個(gè)操作。

2. AMO（Atomic Memory Operations）指令：

1. RISC-V的AMO指令集提供了一組豐富的原子操作，包括加法、減法、邏輯操作（AND、OR、XOR）以及比較和交換（CAS）等。這些操作直接在內(nèi)存上執(zhí)行，不需要使用Load-Reserved和Store-Conditional指令。

2. AMO指令包括：AMOSWAP（原子交換）、AMOADD（原子加法）、AMOAND（原子AND）、AMOOR（原子OR）、AMOXOR（原子XOR）、AMOMAX（原子最大值）、AMOMIN（原子最小值）、AMOMAXU（原子無符號(hào)最大值）、AMOMINU（原子無符號(hào)最小值）等。

3. 這些指令通常用于實(shí)現(xiàn)無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和同步原語，因?yàn)樗鼈兇_保了在多處理器系統(tǒng)中對(duì)共享數(shù)據(jù)的安全訪問。

這兩種指令集各有優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。LR/SC提供了一種靈活的原子操作機(jī)制，適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的同步原語，如鎖和條件變量。而AMO指令集則提供了更直接、更高效的原子操作，適合實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的原子更新和無鎖編程。在實(shí)際應(yīng)用中，開發(fā)者可以根據(jù)具體需求選擇合適的原子指令集。