【总线】AXI4第七课时：AXI的额外的控制信息（PROT和CACHE）

         大家好,欢迎来到今天的总线学习时间!如果你对电子设计、特别是FPGA和SoC设计感兴趣，那你绝对不能错过我们今天的主角——AXI4总线。作为ARM公司AMBA总线家族中的佼佼者，AXI4以其高性能和高度可扩展性，成为了现代电子系统中不可或缺的通信桥梁。

        上课时我们讲了AXI的寻址选项，本章节讲一下AXI的额外的控制信息。

        大家可能经常看到AXI使用的程序里有未连接的信号，如*_prot、*_cache，这些信号为什么不连接，AXI总线也可以工作呢？本章节就来解释下这个问题。

• *_prot：AXI总线的保护单元支持，
• *_cache：系统级缓存和其他性能增强组件的支持

        这里会有一系列的课程，和大家分享AMBA总线家族，欢迎大家一起学习，收藏点赞。

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原理

缓存支持

        系统级缓存和其他性能增强组件的支持是由缓存信息信号 ARCACHE 和 AWCACHE 提供的。这些信号提供了关于事务可以如何处理的额外信息。

        ARCACHE[3:0] 或 AWCACHE[3:0] 信号通过提供以下事务属性来支持系统级缓存：

• 可缓冲 (B) 位，ARCACHE[0] 和 AWCACHE[0]：当此位为高时，意味着互连体或任何组件可以延迟事务到达其最终目的地，延迟的周期可以是任意的。这通常仅与写入有关。
• 可缓存 (C) 位，ARCACHE[1] 和 AWCACHE[1]：当此位为高时，意味着在最终目的地的事务不需要与原始事务的特性相匹配。

        对于写入，这意味着可以合并多个不同的写入。

         对于读取，这意味着可以为多个读取事务预取一个位置，或者只为一个位置获取一次。

• 读分配 (RA) 位，ARCACHE[2] 和 AWCACHE[2]：当 RA 位为高时，意味着如果传输是一个缓存未命中的读取，则应该进行分配。如果 C 位为低，则 RA 位不能为高。
• 写分配 (WA) 位，ARCACHE[3] 和 AWCACHE[3]：当 WA 位为高时，意味着如果传输是一个缓存未命中的写入，则应该进行分配。如果 C 位为低，则 WA 位不能为高。

        在写事务的情况下，AWCACHE 信号可以用来确定哪个组件提供写响应。如果写事务被标记为可缓冲的，那么由桥接或系统级缓存提供写响应是可以接受的。然而，如果事务被标记为不可缓冲的，那么写响应必须来自事务的最终目的地。

        AXI协议并不决定缓冲或缓存数据到达目的地的机制。例如，系统级缓存可能有控制器来管理清除、冲刷和使缓存条目无效。另一个例子是包含写缓冲区的桥接器，如果它接收到一个具有匹配事务ID的不可缓冲写入，它可能有控制逻辑来排空缓冲区。

保护单元支持

        为了支持复杂的系统设计，通常需要互连体和系统中其他设备提供对非法事务的保护。AWPROT 或 ARPROT 信号提供了三个级别的访问保护：

• 普通或特权，ARPROT[0] 和 AWPROT[0]：

        低电平表示普通访问。

        高电平表示特权访问。这被一些主设备用来表示它们的处理模式。特权处理模式通常在系统中拥有更高级别的访问权限。

• 安全或非安全，ARPROT[1] 和 AWPROT[1]：

       低电平表示安全访问。

        高电平表示非安全访问。这在需要更高程度区分处理模式的系统中使用。

• 指令或数据，ARPROT[2] 和 AWPROT[2]：

        低电平表示数据访问。

        高电平表示指令访问。这个位提供了事务是指令访问还是数据访问的指示。

为什么可以不连ARCACHE和ARPROT

        在实际应用中，可能会发现某些AXI信号，如ARCACHE和ARPROT，没有被所有系统或设计所使用。这种情况的原因可能包括：

1. 系统简化：在一些简单的系统设计中，可能不需要复杂的缓存策略或保护机制。因此，设计者可能会选择忽略这些信号以简化设计和减少开销。
2. 性能考虑：实现这些信号可能需要额外的硬件资源和逻辑。在对性能要求不高或对成本敏感的应用中，可能会省略这些功能。
3. 特定应用：有些应用可能有特定的缓存或保护需求，这可能由软件或操作系统管理，而不是通过硬件信号控制。
4. 安全和可靠性：在安全关键的应用中，可能会更加谨慎地使用这些信号，以确保系统的安全和可靠性。
5. 特定类型的AXI：AXI协议有多个变种（如AXI, AXI-Lite, AXI-Stream等），某些变种可能不支持或不需要所有的AXI信号。

        重要的是要理解，AXI协议提供了一套丰富的信号和特性，以支持广泛的应用场景。设计者可以根据他们的具体需求选择性地实现这些特性。在学习过程中，了解这些信号的完整功能和潜在用途是有价值的，即使在某些实际应用中它们可能不被使用。

应用案例

 应用案例 1：多核处理器系统中的缓存一致性

场景描述：在一个多核处理器系统中，每个核心都有自己的缓存。当一个核心的数据被修改后，系统需要确保其他核心的相应缓存行是一致的。

应用点：使用 ARCACHE 和 AWCACHE 信号来标识数据的缓存属性，如是否可以被合并或分配，从而帮助维护缓存一致性。

 应用案例 2：嵌入式系统中的内存保护

场景描述：在嵌入式系统中，不同的软件模块可能需要不同级别的访问权限，如操作系统内核和用户应用程序。

应用点：利用 ARPROT 信号中的保护级别来确保安全访问，防止用户级应用程序访问或修改内核数据。

应用案例 3：高性能计算中的缓存策略

场景描述：在高性能计算（HPC）系统中，缓存的使用对于系统性能至关重要。系统需要智能地管理数据的缓存，以减少内存访问延迟。

应用点：通过 ARCACHE 和 AWCACHE 信号的配置，实现高效的缓存策略，如写回（write-back）或写穿透（write-through）。

应用案例 4：虚拟化环境中的内存管理

场景描述：在虚拟化环境中，多个虚拟机（VM）共享同一个物理硬件资源。每个VM都需要有自己的内存空间和保护级别。

应用点：使用 ARPROT 信号来区分不同VM的访问权限，确保虚拟化环境中的内存安全和隔离。

应用案例 5：实时系统中的确定性响应

场景描述：在实时系统中，对任务的完成时间有严格的要求。系统需要快速响应外部事件，如传感器数据的采集和处理。

应用点：通过优化 ARCACHE 和 AWCACHE 信号的使用，减少缓存引起的不确定性，确保系统能够提供确定性的响应。

应用案例 6：分布式共享内存系统中的一致性

场景描述：在分布式共享内存（DSM）系统中，多个处理器或节点共享同一块内存区域。

应用点：利用 ARCACHE 和 AWCACHE 信号来维护数据在不同节点间的一致性，确保所有节点看到的是最新的数据副本。