CHI低功耗

本节介绍CHI协议中Flit门控、Link层建断链、协议层SACTIVE指示信号等。
作者：谷公子

本文描述CHI的一些信号用于控制interface的低功耗操作，有几个不同级别的操作方式：

FLit level Clock Gating：该技术用于提供interface的每个channel的周期级活动状态指示。对于每个channel，提供了一个额外的信号用于指示是否一笔传输将在下一个周期发生。该信号允许与interface相关的某些寄存器的本地时钟门控；
Link Activation：link层建断链允许interface进入一个安全状态，这样两边interface都可以进入低功耗状态，可以允许它们被要不时钟门控或功耗门控；
Protocol Activity Indication：component可以用协议层活动状态去指示是否有正在进行的transactions，可以用于和其它低功耗技术相配合；

下面会将分别进行讨论这些技术。

一、时钟复位与初始化

1.1 Clock

CHI协议要求全局的时钟和复位信号。CHI协议没有定义特定的时钟架构，但是建议所有的device、ICN等包含一个或多个可以被其它需要同步通讯的link layer functions控制的clock。在下面章节中，clock采用CLK来表达。

1.2 Reset

CHI协议没有定义特定的复位架构，但是建议所有device、ICN等包含一个可以被其它link layer functions控制的特定reset deassertion event。在下面章节中，reset采用RESETn来表达。

1.3 Initialization

在复位的时候，以下interface signals可以不置位：

TX*LCRDV
TX*FLITV
TXLINKACTIVEREQ and RXLINKACTIVEACK

在RESETn变高后，在时钟CLK的上升沿，早期被reset复位的信号可以被驱动为高；
其它信号可以为任意值。

二、FLit level Clock Gating

每个通道中的FLITPEND信号用于指示在下一个周期是否可能有有效的flit要传输。对于FLITPEND信号有如下要求：

在一个flit发送的前一个周期必须置位；
当它置位时，允许下一个周期transmitter选择发不发flit；
当它不置位时，要求下一个周期transmitter不能发送flit；
transmitter允许将该信号一直置位。但这样做可能无法提前知道一个flit将要发送；
在没有L-Credit时，也允许transmitter将该信号置位；

允许transmitter将该信号置位后再不置位，却没有发送flit；
下图1为使用FLITPEND信号的例子：

图1 FLITPEND indicating a valid flit in next cycle

三、Link Activation

CHI协议提供了机制，可以控制interface在full running operational state和low power state之间切换。在解复位之后，在operational states之间切换时，要注意L-Credit和Link flits的交换，防止丢失flits或credits。
当解复位后，或要从low power state转移到full running operational state，interface将从idle state开始，并且只有L-Credit已经交换之后，interface才会发送flits。L-Credit的发送者必须知道接收者能接收L-Credit后，才能发送。
CHI协议定义了两根信号来控制握手机制(四个相位周期)。两根信号是用于同一个方向的channels，而不是每个channel独自使用。因此，interface必须使用四根信号来保证所有的通道，两根用于transmit channels，两根用于receive channels。

3.1 Request and Acknowledge handshake

为了方便描述，Request和Acknowledge两根信号采用信号名LINKACTIVEREQ和LINKACTIVEACK来描述。本小结只描述单方向的建断链操作，至于transmit和receive channel两个方向的建断链在3.2节描述。
对于一个单通道或一组相同方向的多通道，图2为Payload、Credit和LINKACTIVEREQ和LINKACTIVEACK信号之间的关系。

图2 Relationship between Payload，Credit and LINKACTIVE signals
在interface转换中，定义了四个状态：

RUN：两个组件（RX和TX）持续在交换flits和credits；
STOP：interface处于低功耗状态，不工作。所有的credits都在receiver，并且transmitter不允许发送任何的flits；
ACTIVATE：这个状态是从STOP state转到RUN state间的过渡态；
DEACTIVATE：这是状态时RUN state转到STOP state间的过渡态；

ACTIVATE和DEACIVATE是中间态，CHI协议要求中间态是个暂态，但是这个暂态持续的时间是由实现具体决定的。
表1为LINKACTIVEREQ和LINKACTIVEACK的信号值与states的映射表

表2为各个state下，receiver和transmitter的行为

表3为在每个state下，transmitter和receiver行为的总结。

Race conditions
在interface的一侧在同一个接近时间内执行以下两个操作时，可能会出现两种竞争冒险：

改变LINKACITVEREQ或LINKACTIVEACK信号值来改变interface的值；
在state转换时发送响应的credit或flit；

这样会导致以下的race situations：

当receiver把LINKACTIVEACK置位将ACTIVATE变为RUN状态，此时也允许开始发送credit，会出现以下情形：1. 在LINKACTIVEACK信号置位指示state改变和credit的发送会存在竞争；2. 在之前的state和现在新的state下，transmitter都可以接收credit；3. 对于receiver，允许在同一拍将LINKACTIVEACK置位且发送credit；4. 对于transmitter，允许在LINKACTIVEACK置位前后接收credit；
当transmitter把LINKACTIVEREQ不置位将RUN变为DEACTIVATE状态，此时停止发送protocol flits，只能允许发送L-Credit flits，会出现以下情形：1. 在原先state改变前发送了一个flit，这个flit可能和LINKACTIVEREQ的不置位存在竞争；2. 在之前的state和现在新的state下，receiver都要求接收flits；3. 对于transmitter，在LINKACTIVEREQ置位的最后一拍允许发送flit；4. 对于receiver，在LINKACTIVEREQ不置位前后，都允许接收flits。

Response to new state
flits是由可以控制状态转换的transmitter发送的，因此transmitter可以控制在状态转换之后不再发送flits，但是仍可能存在竞争场景，即LINKACTIVEREQ不置位的最后一拍发送了个protocol flit；
credits是由不能控制状态转换的receiver发送的，因此receiver在收到新状态转换要求时可能要花一段时间来调整反应，但是仍可能存在竞争场景，即LINKACTIVEACK置位的同一拍也发送了一个credit；
Determining when to move to ACTIVATE or DEACTIVATE
对于一个通道或一组相同方向的通道，触发state从RUN切换到STOP，或从STOP切换到RUN的责任都是由transmitter来承担的。transmitter自身可以决定是否进行状态转换，是通过一系列机制来保证，以下是一些例子：

transmitter判断有flits要发送，必须从STOP态切换到RUN态；
transmitter判断在一段重要时间内没有活动，就可以从RUN态切换到STOP态；
transmitter可以判断一根independent sideband信号来决定是否从RUN态切换到STOP态，或者从STOP态切换到RUN态；
transmitter可以判断当前transaction还没有完全结束，因此interface必须保持在RUN态等待所有活动结束；
transmitter可以判断对立方向的channels的状态转换来决定；

Multiple channels in the same direction
图3为多个具有相同传输方向的channels，一对LINKACTIVEREQ和LINKACTIVEACK信号用于这些通道。

图3 Example of multiple channel unidrectional interface
在这些通道中，LINKACTIVEREQ和LINKACTIVEACK信号应该遵循如下原则：

当一个状态转换要求transmitter要能接收credits，则必须全部channels都能接收credits；
当一个状态转换要求receiver能接收flits，则必须全部channels都能接收flits；
当状态转换之前需要停止发送flits，则必须停止所有通道的flits发送；
当状态转换之前需要停止发送credits，则必须停止所有通道的credits发送；
在同一个channel，一个credit只能和一个flit相关联；

3.2 Transmit and receive link Interaction

本节描述transmitter和receiver之间在建断链上的交互关联。一个组件有许多不同的channels，一些为input方向，一些为output方向。对于一个component：所有payload为输出的channels成为Transmit Link(TXLINK)；所有payload为输入的channels成为Receive Link(RXLINK)；
CHI协议要求TXLINK和RXLINK的建断链必须协调。
当TXLINK和RXLINK都处于稳定的STOP状态时：

受interface另一边的控制，如果RXLINK移动到ACTIVATE状态，那么要求TXLINK也要及时移动到ACTIVATE状态；
如果一个组件控制TXLINK移动到ACTIVATE状态，也要要求RXLINK及时移动到ACTIVATE状态；

当TXLINK和RXLINK都处于稳定的RUN状态时：

受到interface另一边的控制，如果RXLINK移动到DEACTIVATE状态，那么要求TXLINK也要及时移动到DEACTIVATE状态；
如果一个组件控制TXLINK移动DEACTIVATE状态，也要要求RXLINK也及时移动到DEACTIVATE状态；

当TXLINK和RXLINK在改变状态时，发送和接收credits和flits的功能可以认为是每个link独立的，即不同方向的channels在这方面不相关。

Tx and RX state machines
图4为Tx和Rx状态机允许的状态转换关系图。

图4 Combined Tx and Rx state machines
这个图的箭头、颜色、方框等的具体含义如下：

为了简单，使用了简化的状态名和信号名；
绿色箭头代表是local agent控制的transition；
蓝色箭头代表是interface另一边remote agent控制的transition；
黑色箭头代表是local agent和remote agent同时控制的transition；
在边沿处单独的Tx和Rx state，绿色和蓝色的箭头指示哪个agent控制transition，也指示了哪些信号的变化导致这些状态的变化；
垂直或水平的箭头是单独信号变化导致的状态跳转，即Tx或Rx状态机其中一个跳变，不是全部；
斜对角线箭头是两个箭头同时改变导致的状态转变。如果斜对角线箭头是绿色或蓝色的，那么agent是收两个同时改变的信号而改变的；有几个情况是由两个对立方向link的事件同时巧合发生而产生的，这些是在斜对角线方向且用黑色箭头表示；
用断线表示路径不通，且从该状态跳转不允许。断线的颜色代表是谁负责该路径不会发生；
TxStop/RxStop和TxRun/RxRun states是期望的稳定状态，通常会在这些状态下长时间停留。这些状态用加粗的边框线显示标出。所有的其它状态组合都认为是瞬态，且必须及时退出来；
在底部中的灰色状态是赋值顶部左侧的，是为了使结构图对称；
黄色的状态可以在两个输入信号发生竞争时到达，进入到这些状态的标记为Async Input Race；
红色的状态是由两个输出信号的竞争引起的。两根输出信号的竞争时不允许在组件的边缘发生的，因此转到到这些的状态称为Banned Output Race，这些状态只能在两个组件的中间节点看到；
加粗的箭头用于指示期望的状态机转换方向，在下面会阐述；
箭头上带有Permitted字样的状态转换表明不是期望的，但CHI协议也允许发生；

有两个不同的TxSTOP/RxRUN和两个不同的TxRUN/RxSTOP状态，如何到达和允许退出这些状态机是不一样的，为了区分这些状态，用+号去标识这些状态机，标明Tx或Tx的正在到达的状态；

TxStop/RxRun+指示Tx状态机仍处于之前Stop状态，Rx状态机刚到达下一个Run状态；
TxStop+/RxRun指示Tx状态机刚到达下一个Stop状态，Rx状态机仍处于之前Stop状态；

Expected transitions
图5为期望的状态转换。

图5 Expected Tx and Rx state machines transitions
local Initiate为local agent触发从一个稳定态到另一个稳定态；
Remote Initiate为interface的另一边remote agent触发从一个稳定态到另一个稳定态；
图5用黑色的箭头把TxStop/RxStop到TxRun/RxRUN状态和TxRun/RxRUN到TxStop/RxStop状态的路线标识出来，这两者的主要区别是后者需要返还L-Credits。
表4为TxStop/RxStop到TxRun/RxRUN的可以的转换路径

表5为TxRun/RxRUN到TxStop/RxStop状态可以的转换的路径，link必须在DEACTIVE状态等待所有的L-Credit都已经返还。

Asynchronous race condition
为了防止出现asynchronous race condition情况，有以下几个约束是必须遵守的：

RXACK的置位不能早于TXREQ；
RXACK的不置位不能早于TXREQ的不置位；
TXREQ的置位不能早于RXACK的不置位；
TXREQ的不置位不能早于RXACK的置位；

图6为没有竞争情况的Tx和Rx状态转移图。

图6 Combined Tx and Rx state machines without race conditions

四、Protocol Activity Indication

本小节描述用于指示Protocol Layer activity的信号，SACTIVE信号用于指示是否有transactions仍然在进行。SACTIVE分为TXSACTIVE和RXSACTIVE。
TXSACTIVE：
TXSACTIVE信号是interface上的一根输出信号，如果它置位的话，表示有transactions要么在进行，要么正准备进行：

TXSACTIVE必须在transaction要发送之前或同一个周期置位；
TXSACTIVE必须保持置位，直到所有相关的transactions的最后一笔flit收到或发送完成；

以上这些说明interface上的TXSACTIVE不置位的话，意味着component应完成了所有正在进行的transactions，并且也不需要发送或接收any further flits；
一笔收到RetryAck的transaction被认为是正在进行中的，因此TXSACTIVE必须保持置位直到所有相关的credit已经提供被使用或返回；

RXSACTIVE：
RXSACTIVE是interface上的一根输入信号，指示另一边是否有正在传输的Protocol Layer activity。当RXSACTIVE置位的话，组件必须及时对Protocol layer activity响应；

下面将详细介绍SACTIVE这些内容：

4.1 TXSACTIVE signal

TXSACTIVE必须遵循如下规则：

当transmitter要发送flits，TXSACTIVE必须置位；
如果需要的话，component在置位TXSCACTIVE的时候，也必须触发建链流程，不能出现component将TXSACTIVE置位，但是确需要等待interface另一边的component来触发建链流程；
TXSACTIVE必须保持直到所有transactions的最后一笔flit已发送或接收到了；
在断链过程中，传输link flits允许TXSACTIVE不置位；

注意：为了确保有效的下电流程，ARM建议在断链过程中不需要将TXSACTIVE置位。
图7为在一个transaction生命周期中，对于TXSACTIVE置位的要求。

图7 TXSACTIVE assertion during the life of a transaction

1、TXSACTIVE signaling from an RN
当RN产生新transactions时，它必须将TXSACTIVE在同周期或先于TXREQFLITV置位之前有效，并且要保持到transactions的最终完成响应收到或发送完；
RN产生的transaction的完成flit类型取决于transaction类型和transaction传输方式。例如，ReadNoSnp transaction的完成响应通常是CompData的最后一笔flit，但是如果ReadReceipt比CompData晚之后回来，也可能是ReadReceipt。表6为可以作为结束transaction最后一笔完成响应的flit type。PrefetchTgt transaction不包含明确的完成响应，因此该笔transaction认为发送完就完成了。
表6 RN completing flits for RN initiated transactions

当有一笔snoop transaction正在进行的时候，RN-F或RN-D必须将TXSACTIVE置位；在收到一笔Snoop或SnpDVMOp操作时，TXSACTIVE必须在发送第一笔response之前置位，且必须直到所有Snoop操作的最终响应已经完成之后才能解除置位。对于RN-F或RN-D，TXSACTIVE是request interface和snoop interface的逻辑或需求；

2、TXSACTIVE signaling from an SN
由于SN不能触发新的transactions，因此SN只需要在处理transactions的时候将TXSACTIVE置位就行。SN在收到transaction时，必须在回响应之前将TXSACTIVE置位直到最后一笔响应发送或接收完。

3、TXSACTIVE signaling from an ICN interface to an RN
ICN连接RN的接口在以下情况下必须将TXSACTIVE置位：

接收到一笔发起flit的transaction，必须在发送Response响应之前将TXSACTIVE置位直到最终的完成响应接收或发送完；
在发送发送Snoop或SnpDVMOp响应之前或同一拍，必须将TXSACTIVE置位，且必须等到snoop响应SnpResp或SnpRespData返回之后，才能解除置位。

4、TXSACTIVE signaling from an ICN interface to an SN
ICN连接SN的接口在发送request flit的同一拍或之前必须将TXSACTIVE置位，且必须等到最终完成响应收到或发送完才能解除置位。

4.2 RXSACTIVE signal

当RXSACTIVE置位时，receiver必须及时响应建链流程；当RXSACTIVE没有置位时，允许receiver延迟响应建链流程。个人理解就是RXSACTIVE没有置位表明没有传输要进行，允许不马上进行建链流程。
注意：RXSACTIVE没有置位不代表所有的Protocol layer activity已经完成。在RXSACTIVE没有置位后，receiver可能接收Protocol flit，相对于当RXSACTIVE置位时，相对于一笔transaction正在进行。
RXSACTIVE可以和其它用TXSACTIVE指示正在进行的transactions组合起来，一块用于指示没有further transactions，可以用于控制进入低功耗。

4.3 Relationship between SACTIVE and LINKACTIVE

SACTVIE用于指示Protocol layer activity，一个节点的TXSACTIVE和RXSACTIVE如果都没有置位，那么可以认为是inactive。
LINKACTIVE用于指示Link layer activity，Node或ICN的receiver处于RXSTOP，transmitter处于TxSTOP的话，表明Node或ICN的Link layer是inactive。
SACTIVE和LINKACTIVE是正交关系，即不相关，只有一个约束关系，就是RXACTIVATE中提到的，RXACTIVE如果不置位，receiver可以延迟响应建链请求。
只有在Protocol和Link layers都处于inactive态时，Node和ICN才能使能高电平时钟门控和低功耗优化。
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