CHI协议学习

原始文档：https://developer.arm.com/documentation/102407/0100/?lang=en

CHI 总线拓扑结构

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CHI总线拓扑是实现自定义的，可以是RING/MESH/CROSSBAR的类型；

RING 一般适用于中等规模芯片
MESH 一般适用于大规模芯片
CROSSBAR 一般适用于小规模芯片
上面总线拓扑的选择，一般会参考访问延时和RN/SN数量

CHI cacheline状态

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大的分类：

Valid/Invalid来描述cacheline的状态是否有效；
Valid的cacheline，必须是Unique或者Shared的状态；
– unique就是只有这个cache中存在，其他人(这里指RN)的cache里面都没有这个地址/数据，只有unique的状态才能被写；
– shared表示RN自己手里有这个cacheline，但是其他人(RN)手里有没有这个cacheline，不知道(可能有，也可能没有)；
Valid的cacheline，必须是clean或者dirty的状态；
– clean表示这个cacheline不负责更新数据到主存，由于其他人可能刷数据到主存，所以clean的cacheline数据可能和主存不同；
– dirty指的是cahceline相对于主存已经被修改；当想把dirty的cacheline清掉时，要么把数据刷进主存，要么把dirty的责任转给其他人(RN或者HN)；
cacheline可以有partial或者empty的状态：
– empty的cacheline，里面没有有效数据，但是RN有对应操作的权限/特性(比如UCE的cacheline，RN是可以直接写这个cacheline，invalid的话，还要snoop别人)；
– partial状态表示有一些数据是有效的(也可能全部有效或者全部无效)；有可能因为先更新状态但是数据还没来，或者是数据先变了，但是状态还没变这种状态cacheline被snoop时，CHI协议有额外的限制；

详细的cacheline状态：
Invalid(I)
cacheline是无效的(也就是这个cache没有缓存这个地址/数据)

Unique Dirty(UD)
cacheline只存在于当前cache，认为相对于主存发生了修改；RN可以直接修改cacheline的数据(因为是Unique)，如果收到snoop请求，必须把cacheline的数据给出去；

Unique Dirty Partial(UDP)
和UD的区别，一个是partial的状态，另一个是被snoop的时候，不能直接把cacheline数据发给RN；

Shared Dirty(SD)
相对于主存有修改，并且有更新主存的责任；SD的cacheline也可能存在于其它人手里，但是其他人都是SC的状态；Unique cacheline才能被写，SD状态怎么来的？有可能是snoop了别人的cacheline，或者dirty的责任传递到了这里；

Unique Clean(UC)
可以不用知会别人，直接修改cacheline数据；

Unique Clean Empty(UCE)
可以不用知会别人，直接修改cacheline数据；但是如果收到snoop的时候，不能给数据到home或者其他RN；

Shared Clean(SC)
可能存在于一个或多个cache里，也可能相对于主存有修改，但是这个cacheline evict的时候不负责刷主存；

CHI节点类型

有三大类节点：RN，HN，SN，另外还有一个MN；

RN节点细分：
– RNF，全一致性节点，有一致性cache，并且响应snoop请求；
– RNI，IO一致性节点，没有一致性cache，不接受snoop；
– RND，支持DVM的节点，相比RNI多了一个能接受DVM事务；
HN节点细分：
– HNF，全一致性节点，排序一致性内存的访问以及给RNF发送snoop请求；
– HNI，非一致性HN，排序对于IO子系统的请求；
– MN，处理RN发出的DVM事务，DVM事务有时也由HND来实现；
SN节点细分：
– SNF连接到支持一致性内存空间的内存设备；
– SNI连接IO外设或者非一致性内存；

CHI的SAM

CHI总线中每一个组件都有一个Node ID，CHI使用SAM负责物理地址到Node ID的转换；
每个RN和HN都要有SAM；
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对于RN SAM的要求：

必须完全描述整个系统的地址空间；
没有组件对应的地址空间，要映射到一个能返回错误响应的节点；
所有RN的SAM必须是一致的，某个特定的地址只能去向特定的HN节点；

CHI通道

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SNP通道的约束：

只有HNF和MN从SNP通道发起事务；
RNF SNP通道只接收SNP事务；
MN SNP通道只接收DVM事务；

CHI FLIT

FLIT就是数据包，下面是一个REQ Flit的示例：
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每个通道都有一个FLITV信号，为高时下拍FLIT有效；当发送方有接收方credit的时候才可以发送；LCRDV信号传输credit；
CHI在FLIT中定义了很多ID域段：

SrcID：用来路由FLIT，表示发送方的ID，每一个FLIT都要有SrcID；
TgtID：表示接收这个消息的节点ID，除了snoop的FLIT都需要TgtID(snoop发给谁是实现自定义的，snoop可以广播，也可以由SF来管理到底发给谁)；
TxnID：每个FLIT都需要，RN outstanding出去的事务必须有着唯一的TxnID，其位宽决定了RN能outstanding多少事务；
Opcode：REQ FLIT需要，表示传输类型，并且决定了事务结构(比如区分读写事务)；
DBID：只存在于RSP或者数据FLIT，目标节点通过这个来分配写数据buffer，并且可以要求一个完成响应来释放buffer；
– 对于写，RN收到收方响应带的DBID之后才能发写数据；
– 一些需要完成响应(表示RN已经收到了读数据)的读事务，也使用读数FLIT据携带的DBID；

写事务传输流示例

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RN NodeID是1， SN NodeID是2：

RN给SN发了个TxnID为3的写请求；
SN为这个事务分配一个可用的数据buffer(BDID 0)，关联到TxnID和SrcID；
SN回DBIDResp给RN，TxnID为3，DBID为0；
RN使用接收到的DBID 0和TxnID 3发给SN写数据；
当传输完成的时候，SN的SBID 0对应的buffer空间可以释放；

ReadNoSnp事务流示例

下面是ReadNoSnp事务；RN0发送ReadNoSnp请求，SN5提供读数据：

RN发送ReadNoSnp到ICN，TgtID是HN3：
HN发ReadNoSnp到SN5来取回数据：
SN5使用CompData响应把数据回给HN3：
HN3把CompData给RN0：

WriteNoSnp事务流示例

下面是WriteNoSnp事务，RN0发给SN5：

RN0发给HN3 WriteNoSnp事务：
HN3返回CompDBIDResp事务给RN0，这表示HN3可以接收写数据并且其它RN均可观测到这个写事务；
下面两步是独立的，可乱序：
a. HN3把WriteNoSnp发到SN5，接收CompDBIDResp响应：

b. RN0给HN3发送写数据
HN3接收到SN5的CompDBIDResp和RN0的写数据以后，HN3给SN5发送写数据：

CHI的完成响应

CHI使用完成响应来维护下面事务的顺序：

RNF发出的事务
RNF事务导致的Snoop

完成响应确保snoop事务和他前面的RNF的一致性事务，只有一致性事务完成之后，snoop事务才能被接收；

HNF是维护cache一致性和保序的中心点，比如：一个RNF正在outstanding访问一个特定的cacheline，如果其它RN的请求导致需要snoop这个cacheline，HNF会暂停后面的这个事务；当第一个RNF的一次性操作完了之后，它会给HNF发送完成响应；这样HNF就可以让后面的snoop继续往下走；

不是所有事务都需要完成响应，请求FLIT中包含ExpCompAck来标识是否需要完成响应；

下面是发送需要完成响应的读事务：
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snoop事务的CompAck

下面RN2要发一个地址A的ReadShared事务，这个时候HN3还没有完成RN0的MakeUnique事务，所以ReadShared事务的snoop操作都被阻塞住；

HN3完成第一个事务的snoop操作之后，给RN0发送Comp_UC消息；RN0给HN3发送CompAck消息；
此时HN3可以执行RN2的事务所产生的snoop操作；

端点顺序和请求顺序

Endpoint Order:
- 定义: 维持从单个RN到单一SN的事务顺序。
- 例子: 多个设备访问一个可编程的寄存器区间，是Endpoint Order。
Request Order:
- 定义: 维持从单个RN到相同地址的事务顺序。
- 例子: 一个SN对于有交叠的non_cacheable空间(Normal NC, Device-GRE 和Device-nGRE)的多笔操作需要保序；Request Order需要保序的地址空间粒度，是实现自己定义的；

如果设置了Endpoint Order，也就意味着Request Order；

只有一部分事务可以使用Request Order和Endpoint Order：

ReadNoSnp和所有的ReadOnce事务
– RN发起ReadNoSnp或者ReadOnce类型事务需要保序；
– SN接收上述REQ，并回ReadReceipt消息，ReadReceipt表示可以发下一个需要保序的事务；
– 发送ReadReceipt之后，SN需要保证执行保序(按照接收的事务顺序)；
WriteNoSnp和WriteUnique类型事务：
– RN发起WriteNoSnp或者WriteUnique类型的事务要求保序；
– SN响应DBIDResp表示他可以接收这个消息，他的databuffer可以接收写数据，并且RN可以发送下一个保序的REQ；
– 发完DBIDResp，SN需要保证执行保序；

保序举例如下：

RN给SN发起读请求1，ReqOrder为1；
RN给SN发读请求2，ReqOrder为1，但是发不出去，因为前面这个读还没完成；
SN回ReadReceipt给RN，表明第一个读已经接收了；
下面两个可以乱序：
a. RN发读请求2给SN；
b. SN回给RN读请求1的数据；

请求retry

有时候目标节点没有资源来接收请求，为了不阻塞ICN，CHI提供了retry机制，SN需要依照请求来决定和记录其对应的Pcrd；

可以使用不同类型的Pcrd来记录不同的资源，比如读写使用分离的databuffer，那么每个buffer都可以使用不同的credit来标识；不同的Pcrd值是实现自定义的；

详细流程不介绍了，看协议的2.3.8章节；

DVM事务

CHI使用DVM事务来维护虚拟内存；

DVM操作有如下事务：

TLB清除；
指令cache清除
分支预测清除
DVM同步

CHI中，所有的DVM事务分两部分给MN，下面是顺序要求：

第一部分是给MN发DVMOp请求，请求FLIT使用地址域段来编码操作选项；
第二部分是当RN接收到MN的DBIDResp之后，通过data FLIT发送DVM消息；这一步携带了DVM事务目标地址；

当MN收齐了两步DVM事务，MN给相关一致性domain的RN发起SVM snoop请求，也是分两步，两步必须使用相同的TxnID和opcode SnpDVMOp：

第一部分使用地址域段编码操作属性和目标地址高位；
第二部分使用地址域段发送剩余的地址；

上面两部分是通过Address的bit[3]来标识；0表示第一步，1表示第二步；这两步可以乱序；

DVM操作类型

CHI定义了两类DVM事务：DVM Non-Sync和DVM Sync；这决定了RN是否先等当前操作完成再响应DVM snoop；

同步DVM只做同步动作；

非同步DVM非同步DVM就是 TLB/指令cache/分支预测无效的操作；非同步DVM事务可以outstanding；

下面一个outstanding的例子：

RNF/RND接收一个DVM Non-Sync的snoop操作；
RNF/RND给MN发snoop响应，这只表明他接收了DVM事务，但不表示DVM事务的执行；
MN给最初发DVM事务的RNF/RNI完成响应，表示别人已经收到DVM事务；

为了确保所有outstanding的DVM已经执行，看下面的例子：

RNF发起同步DVM事务给MN，需要DVM Sync同步的outstanding的DVM事务，需要先回完成响应，才能发起DVM Sync；
MN给所有的RNF和RND发起 DVM Sync的snoop；
每个RN需要确保前面收到的outstanding的DVM事务都已经执行；
所有RN给MN回snoop响应，表示所有的DVM操作已经执行完成；
MN在给发DVM Sync的RN发起完成响应；

ARM核的DSB指令会产生DVM Sync操作，但是实现如果确认没有需要同步的DVM操作时，可以不用发DVM Sync；

DVM操作流

下面是一个TLB无效的DVM事务 + DVM Sync；

RN0给Mn发TLB无效的DVM事务；
MN响应DBIDResp，表示他可以接收DVM事务的第二步；
RN0给MN发起写数据消息，作为DVM事务的第二步；
MN给RN1发起两步DVM事务；
RN1通过给MN发送snoop响应表示已经接收DVM请求；
MN接收snoop响应；
MN给RN0发完成响应；
RN0给MN发起DVM Sync；
MN给RN0回DBIDResp；
RN0给MN发写数据消息，作为DVM事务的第二步；
MN给RN1发DVM Sync snoop；
RN1执行完所有outstanding的DVM操作；
RN1给MN发snoop响应，表示已经执行完所有操作；
MN给RN0发完成响应，作为DVN Sync的响应；

Cache stashing

cache stash是把数据放在系统特定cache中的机制，通过把数据放在临近将来要用的位置，减少访问延时来提升系统的性能；

一般情况下，RNI和RND会发stash操作，stash请求只是一个建议，并不是强制的要求；一个设备收到stash类型的操作，也可以忽略掉；

CHI有两种cache stash事务：带数据的和不带数据的；

stash传输流

基础的传输示例：

RN通过REQ通道发起stash请求；
stash请求发给HNF；
HNF可以有如下方式：

忽略stash事务，把它当成非stash的操作；
支持stash，给RNF发snoopRNF把cacheline预取至自己cache中；

stash目标RNF收到一个Stashing Snoop；

RNF可以有如下方式：

回Snoop响应，就像收到使用datapull机制的cacheline读一样；
不使用datapull回snoop响应，然后发起那个cacheline的读；
回snoop响应，不预取这个cacheline，忽略掉stash的提示；

stash snoop请求

所有的cache stash请求发给HNF节点，HNF处理cache stash请求，他会给RNF发stashing snoop；

CHI有四种类型的cache stash事务：
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cache stash控制域段

stash事务REQ，snoop，response，data FLIT均有下面域段：

stash目的节点NodeID
RNF中的逻辑处理器cache，比如L2$
是否会使用datapull机制

stash事务REQ FLIT使用下面域段：

StashNID
StashNIDValid，标识是否有用StashNID
StashLPID
StashLPIDValid，标识StashLPID是否有使用；

snoop FLIT有如下域段：

StashLPID和StashLPIDValid
DoNotDataPull

写数据的传输
RN发起WriteUniqueStash来写一个新数据并且希望Target来stash这个数据；写的cacheline可以是full或者partial；

下面是一个RNI发起stash操作的例子，目标节点是RNF：

RNI发起WriteUniqueFullStash，为了简化流程，例子不给RNF的DBIDResp
HNF收到stash事务后发送SnpMakeInvalidStash给HNF
RNF接收HNF的snoop
RNF接收stash并且返回snoop resp

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5. 如果使用datapull，RNF要么发起一个带implicit读请求的snoop响应，或者一个snoop响应和一个单独的读请求，这里是一个implicit snoop响应和读请求，不是完整的datapull流程；
6. HNF发送从RNI收到的写数据给RNF；

无写数据的传输

RNI发起StashOnceUnique请求到HNF；
HNF接收stash请求；
HNF给主存发ReadNoSnp来获取cacheline，同时发起SnpStashUnique给RNF；
主存把cacheline数据给到HNF；
RNF响应snoop，请求cacheline；
HNF把cacheline数据给到RNF；

如果stash没有对应的Target，那么HNF就是stash target；如果HNF要做stash，就发起ReadNoSnp到主存，拿到数据之后存到自己的cache里；

datapull机制

datapull机制是可以在snoop响应中带一个读请求，这样可以少发一个读请求；只在stash snoop中可以用；

RNF收到要求datapull的snoop，可以使用datapull或者单独发一个读请求；
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I/O Deallocation

CHI提供了IO请求者释放全一致性节点cacheline的提示操作；I/O Deallocation操作可以提示一个cacheline应当invalid掉，脏数据可以踢下去或者直接丢掉；因为是提示性操作，一致性节点也可以只回数据而不无效掉cacheline；注意提示性操作不能替代CMO；

CHI有两种I/O deallocation事务：ReadOnceCleanInvalid和ReadOnceMakeInvalid；这俩对于防止cache被不在用的数据污染很有效(防止命中率下降)，MakeInvalid和CleanInvalid的区别是，MakeInvalid是不踢入主存，直接把数据丢掉，所以使用时要小心一些；

I/O Deallocation示例

ReadOnceCleanInvalid的例子：
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然后RNF无效掉自己的脏cacheline并刷到HNF中，HNF把数据给到RNI，并写入主存；

DMT，DCT和PrefetchTgt

DMT和DCT可以让数据直接在RN和SN之间传输，省的中间经过HN的转发拖慢性能；但是传输完成的时候，HN仍然需要收到CompAck来确认传输已经完成；

PrefetchTgt事务可以减少内存访问的延时，PrefetchTgt可以直接由RNF送到SNF，不需要返回数据，MC可以把这个作为一提示，提前把数据放到读buffer中；这样后面普通的读下来的时候，数据可以很快回去；

DMT

对于读事务的DMT传输，见下图：
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MC取回数据后直接把数据给到CPU；

使用DMT之后ICN的效率高了很多，绝大多数的读操作都可以使用DMT，cache stash导致的DataPull也可以使用DMT；

不能使用DMT的请求：

EX操作；
ReadNoSnp并且ExpCompAck = 0并且Order != 0
ReadOnce并且ExpCompAck = 0并且Order != 0

为了支持DMT，CHI包含了如下ID域段：

REQ FLIT使用ReturnNID和ReturnTxnID
DATA FLIT使用HomeNID

DMT传输流示例：
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有order要求的DMT传输示例：
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当HNF收到Read Receipt之后就可以把自己的资源释放了；

Prefetch Target

PrefetchTgt可以提升DMT的效率，其由RN直接发给SNF，不需要响应，不需要TxnID，不计入outstanding，SNF也可以选择忽略掉这个事务；

如果SNF决定预取数据，它会一直buffer住数据，直到发生了对这个地址的读操作；一般情况下认为很快就有一个读事务走常规路径(RN->HN->SN)过来；

DATA FLIT的DataSource域段，可以用来指示RNPrefetchTgt事务是否有用：
— 0bR0110 PrefetchTgt 对于本次传输有用.
提前预取数据对于数据传输而言延时降低；
— 0bR0111 PrefetchTgt 本次传输没有用
和普通的读而言，本次数据预取没有改善延时；

RN可以根据上面的反馈来调整是否发送PrefetchTgt；

流程比较好理解，这里就不详细描述了；对于RN而言，就是在知道会miss的情况下先发PrefetchTgt再发读事务；

DCT

为了减少snoop hit的延时，引入DCT；和DMT类似，DCT是用于snoop数据传输的；

对于信号量和生产者-消费者这种类型的工作负载(常见的并发控制和同步机制。这些用例从数据一致性技术中受益，因为它们通常涉及多个进程或线程共享和修改共同资源)，DCT可以带来性能提升。

Forward Snoop Requests

Forward Snoop 请求告诉被snoop的RNF把snoop数据直接给到原始的RN，除了原子事务和EX事务，均可使用DCT；

Forward Snoop需要下面域段：