ARM系列-CHI（一）

从这周开始，来瞧一瞧AMBA大家庭里CHI这个协议。CHI的全称是Coherent Hub Interface。所以从名字就能看出，CHI要解决什么问题了。按照惯例，开始之前放一张AMBA的全家福。CHI协议是AMBA的第五代协议，可以说是ACE协议的进化版，将所有的信息传输采用包（packet）的形式来完成。但是从接口的角度看，CHI和ACE，AXI这些协议完全不一样了，所以对CHI的学习要换一种思路。接下来不会完全按照spec的顺序来分析CHI，想到哪就写到哪了。

ACE和CHI名字里面都带着coherent，具体有什么不一样吗？为什么要搞两套呢？别急，慢慢分析。

协议上来就是这么两句话：

除去自夸部分，首先我们能看出来，从CHI开始协议分层了，这是跟以往的总线协议不同的；为了更多组件互连，ARM想要定义一个统一的接口。现代的SoC功能越来越丰富，包含的组件越来越多，处理器，处理器簇、图形处理器、存储控制器、I/O桥、PCIe子系统和CHI互联线等。如何把这些有可能自主研发，也有可能来自不同厂商的模块更好的连接起来，组成一个高效的系统，已是当下SoC设计中的一个难题。

CHI的特性包括以下：

架构灵活，易于扩展；

独立的分层实现，包括协议层（protocol）、网络层（network）和链路层（link）；

基于包传输；

由基于互连的主节点（Home Node，简称HN）处理的所有事务，包括snoop、缓存和内存访问；

HN协调所有的传输请求，包括snoop请求、访问高速缓存和内存；

CHI的一致性协议支持：64Byte的缓存行、snoop filter和directory、MESI和MOESI 缓存模型、增加两个缓存行状态（partial和empty）；

CHI传输事务包含多种类型，支持原子操作和同步操作，支持cache stashing，DVM（distributed virtual memory）等；

支持Retry机制来管理协议层资源；

支持端到端的QoS（Quality of Service）；

可配置的数据宽度来满足系统需求；

支持ARM的TrustZone；

优化传输事务流；

跨组件和互连的错误报告和传播机制，以确保系统的可靠性和完整性；

低功耗信号，可以使能flit级别时钟门控、根据组件的工作情况实施时钟门控或电源门控等低功耗手段

CHI协议的三层分为协议层，网络层和链接层，如下图所示：

CHI在协议层规定了各种transaction；在网络层规定了packet；对于具体的信号，放到了链路层，而且是在spec的最后几个章节。

CHI协议并不规定拓扑互连。目前常用的SoC互连是下图中的方式：交叉开关（crossbar），这种结构相对简单，互连部分延时小，多用于数量不多的组件互连，缺点是如果互连组件太多，这种结构的内部走线会非常多，不利于物理实现，比较常见的crossbar类型IP如ARM公司的NIC-400；环形网络，折中考虑了互连组件数量和延时，有利于中等规模的SoC设计，比较常见的ring类型IP如ARM公司的CCN；二维网格（mesh），这种拓朴结构可以提供更大的带宽，而且是可以模块化，通过增加网格的行或列来增加更多的节点，ARM的CMN-600就是基于mesh的互连IP。关于互连的学习，以后有时间会单独讨论。

图1 片上互连：crossbar（右下），环形（右上）和网格（左）

可能有的同学刚接触，对于这些术语不熟悉，所以先解释一下。一个Transaction就是一个单独的操作，比如读或写内存。Message是协议层术语，用于定义两个组件之间交换信息的粒度，如Request/Data response/Snoop request，一个数据响应message可能由多个packets组成。Packet是互连端点间的传输粒度，一个message可能由一个或多个packets组成，每个packet包含有源和目的节点的ID来保证在interconnect上独立路由。Flit是最小流控单位，一个packet可以由一个或多个flits组成，对于同一个packet的所有flits在互连（interconnect，简称ICN）上传输必须遵循同样的路径。Phit是物理层传输单位，一个flit可以由一个或多个phits组成，phit定义为两相邻网络设备之间的一个传输。

HN（Home Node）用于接收来自RN的协议transaction，完成相应的一致性操作并返回一个响应。RN（Request Node）产生协议transaction给互连，包含读和写。SN（Slave Node）用于接收来自HN的请求，完成相应的操作并返回一个响应。MN（Misc/Miscellaneous Node）用于接收来自RN的DVM操作，完成相应的操作并返回一个响应。细分一下，有如下的类型。

RN-F，（Fully coherent Request Node，全一致性请求节点）：包含硬件一致性cache；允许产生所有协议定义的transactions；支持所有的snoop transactions。

RN-D，（IO coherent Request Node with DVMsupport，支持DVM的IO一致性请求节点）：不包含硬件一致性cache；可以接收DVM操作；可以产生协议定义的部分transactions。

RN-I，（IO coherent Request Node，IO一致性请求节点）：不包含硬件一致性cache；不能接受DVM操作；可以产生协议定义的部分transactions；不要求具有snoop功能。

HN-F，（Fully coherent Home Node，全一致性主节点）：用于接收除了DVM操作所有的请求操作：包括一个PoC（Point of Coherence）点，通过监听RN-Fs，管理各Master一致性，完成所有的snoop响应后，发送一个响应给发出请求的RN；最好是一个PoS（Point ofSerialization）点，用于管理多个memory请求的顺序。可能包含目录或监听过滤，以此来减少冗余的snoop请求。

HN-I，（Non-coherent Home Node，非一致性主节点）：处理有限的一部分协议定义的Request：不包含PoC点，也不具备处理snoop请求；最好是一个PoS点，管理访问IO 子系统的请求顺序。

MN，（Miscellaneous Node，混合节点）：用于接收来自RN发送的DVM操作，完成相应的操作，并返回一个响应。

SN-F：用于normal memory（还记得ARM中的normal memory是啥不？）的从节点，可以处理Non-snoop读写请求、atomic请求、以及这些命令的其它形式、CMO（Cache Maintenance Operation）请求。

SN-I：用于peripheral或normal memory的从节点，可以处理Non-snoop读写、atomic操作、以及这些命令的其它形式、CMO请求。

以上的几个术语是CHI协议中常见的。其它的术语如PoC，PoS，等用到的时候再解释。这样，在CHI协议中，一个典型的连接如下图：