AMBA CHI Architecture Spec 解读 — B2 Transactions

B2 Transactions 是 CHI Spec 中最长的章节（139页），定义了 CHI 协议的核心通信单元——事务（Transaction）。理解了 B2，就理解了 CHI 的”词汇表”和”语法”。

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一、章节结构总览

B2 分为 10 个子节：

节	标题	核心内容
B2.1	Channels overview	4条物理通道（REQ/WDAT/SRSP/CRSP/RDAT/SNP）
B22	Channel fields	REQ/RSP/SNP/DAT 各通道的字段定义
B2.3	Transaction structure	8大类事务的完整消息流图 ⭐
B2.4	Transaction identifier fields	16种标识符字段详解
B2.5	Transaction identifier field flows	各种事务中标识符如何在节点间传递
B2.6	Multi-request	多请求合并机制（DMT/DCT/DWT）
B2.7	Ordering	事务排序模型 ⭐
B2.8	Address, Control, and Data	地址空间、内存属性
B2.9	Data transfer	数据传输、字节使能、Limited Data Elision
B2.10	Request Retry	重试机制和 Credit 返回

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二、CHI 的通道模型

2.1 四条物理通道

CHI 不像 AXI 那样用”地址/读/写”通道，而是用面向消息的通道：

通道	方向（RN视角）	用途
REQ	发送	请求通道（读、写、原子、DVM 等）
WDAT	发送	写数据通道（写数据、原子数据、snoop 转发数据）
SRSP	发送	Snoop 响应 + 完成确认
CRSP	接收	完成响应（来自 Completer）
RDAT	接收	读数据通道（读数据、原子数据）
SNP	接收	Snoop 请求通道

关键差异：CHI 用 单条 REQ 通道 承载所有类型请求（AXI 需要分开读地址/写地址通道），通过 Opcode 区分。

2.2 通道字段 — REQ 通道示例

REQ 通道上的关键字段（共 ~65 个）：

分类	字段	位宽	说明
标识	TgtID, SrcID, TxnID	实现定义	路由和事务标识
地址	Addr	48-52 bit	物理地址
属性	MemAttr	3 bit	内存类型（Device/Normal/Cacheable/Allocate）
操作	Opcode	7 bit	事务类型编码（共68种）
控制	Order, Excl, AllowRetry, SnoopMe	1-2 bit	排序/独占/重试/自侦听
高级	MPAM, MECID, TagOp, PBHA, VMIDExt	实现定义	RME/MTE/MPAM 等扩展

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三、事务结构（B2.3 — 核心）

3.1 基本原则

所有事务可以抽象为：

发起方 → 中间节点（可选）→ 目标方 → 响应 → 返回数据
  REQ       SNP（snoop其他缓存）   RSP（完成状态）
                                    DAT（数据）

3.2 Allocating Read 事务流

以 ReadClean 为例，读事务有以下可能路径：

路径 1：Home 直接返回数据（最快）

Requester → REQ: ReadClean → Home → RDAT: CompData → Requester

路径 2：Home 从内存读取

Requester → REQ: ReadClean → Home
Home → REQ: ReadNoSnp → Subordinate → DAT: Data → Home
Home → RDAT: CompData → Requester

路径 3：带 Forwarding Snoop（缓存到缓存转发）

Requester → REQ: ReadClean → Home
Home → SNP: SnpSharedFwd → Snoopee
Snoopee → SRSP: SnpRespFwded → Home         ← 转发完成
Snoopee → DAT: Data → Requester              ← DCT! 直接数据转发
Home → CRSP: Comp → Requester                ← 仅完成信号

路径3是 CHI 的性能关键——Snoopee直接把数据发给Requester（DCT），Home只发完成信号。这比 ACE 中所有数据必须经过 Home 快得多。

3.3 读事务的 6 种完成选项

编号	模式	描述
1	CompData from Home	Home 直接返回数据+完成
2	RespSepData / DataSepResp	响应和数据分开返回
3	CompData from Subordinate	子节点直接返回数据
4	Resp from Home, Data from Sub	Home 发响应，子节点发数据
5	Forwarding snoop	Snoopee 转发数据（DCT/DMT）
6	Comp only (MakeReadUnique)	仅完成，无数据返回

3.4 写事务（B2.3.2）

CHI 的写事务分为 6 个子类型：

写类型	用途	数据源
Immediate Write (WriteNoSnp/WriteUnique)	立即写	请求时带数据
Write Zero	清零优化	无数据（Home自己填零）
CopyBack Write	缓存回写	请求后发数据
Combined Immediate Write + CMO	写+缓存维护合并	请求时带数据
Combined Immediate Write + Persist CMO	写+持久化合并	请求时带数据
Combined CopyBack Write + CMO	回写+缓存维护合并	请求后发数据

3.5 原子事务（B2.3.3）

支持 64 种原子操作，4 大类：

类型	语义	数据返回
AtomicStore	读-改-写（不返回旧值）	无
AtomicLoad	读-改-写（返回旧值）	有
AtomicSwap	原子交换	有
AtomicCompare	条件交换（比较-交换）	有

原子事务可以在 Home 或 Subordinate 端执行。

3.6 Stash 事务（B2.3.4）

缓存注入——一个节点把数据直接推送到另一个节点的缓存：

加速器 → REQ: StashOnceShared + StashNID → Home
Home → SNP: SnpStashShared → 目标节点
目标节点 → 缓存中分配一行

3.7 Dataless 事务（B2.3.5）

操作	效果
CleanInvalid	缓存行置为 Invalid，无需写回
CleanShared	脏缓存写回并变为 Shared
CleanUnique	共享缓存变为 Unique（不写回）
MakeInvalid	使所有副本失效
MakeUnique	获取唯一所有权
Evict	逐出缓存行

3.8 DVM 事务（B2.3.7）

分布式虚拟内存事务用于 TLB/BP/Cache 维护，支持按 VMID/ASID/IPA/VA 精确无效化。

3.9 Home Initiated 事务（B2.3.9）

Home 主动向 Subordinate 发起的事务：Read/Write/Zero/Dataless/Atomic/Snoop/DVM，用于响应上行请求。

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四、标识符系统（B2.4）

CHI 定义了丰富的标识符字段：

标识符	用途
TgtID / SrcID	节点级路由
TxnID	每个节点独立的事务 ID
DBID	Home 分配的数据缓冲 ID（DCT 的关键）
ReturnTxnID	数据/响应直接返回发起者
FwdTxnID	Snoop 转发数据的 ID
HomeNID / ReturnNID / FwdNID	各阶段节点 ID
LPID / StashLPID	逻辑处理器标识
PGroupID	持久化组 ID
TagGroupID	MTE 标签组 ID
CacheLineID	MultiReq 中区分缓存行

DMT 流中的 ID 传递示例

Requester(SrcID=A,TxnID=1)          Home                   Snoopee(SrcID=S)
  │── ReadClean(TgtID=H) ──────────→│
  │                                 │── SnpSharedFwd ────→│
  │                                 │  FwdTxnID=H1       │
  │                                 │  ReturnNID=A       │
  │                                 │  ReturnTxnID=1     │
  │←──── Data(SrcID=S) ─────────────│─────────────────────│  ← DMT!
  │←──── Comp ─────────────────────│

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五、Multi-Request 机制（B2.6）

CHI H 版新特性，允许一个事务跨越多个缓存行：

模式	描述	适用场景
DMT	数据从 Subordinate 直接到 Requester	大块读
DCT	数据从 Snoopee 直接到 Requester	缓存转发
DWT	写数据直接到 Subordinate	大块写

关键字段：MultiReq、NumReq（1~8）、CacheLineID

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六、排序模型（B2.7）

Order 字段	含义
00	无需排序（Non-ordered）
01	请求排序（Request ordering）
10	预留
11	端到端排序（End-to-end ordering）

Completion Acknowledgment（CompAck）：Requester 收到 Comp 后额外发送 CompAck，确保资源释放。

Streaming Ordered Write（CHI H 优化）：允许写请求在收到 CompAck 之前发出下一个请求，最大化写带宽。

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七、地址与控制（B2.8）

7.1 物理地址空间（PAS）

支持 RME 的 4 种 PAS：

PAS	含义
00	Non-secure
01	Secure
10	Realm（RME 新增）
11	Root（EL3 专属）

7.2 CopyAtHome (CAH)

CHI H 新特性——允许 Home 持有脏数据副本，减少内存访问：

Requester → WriteBack(CAH=1) → Home（保留副本，不写回内存）
后续读请求 → Home 直接返回（无需访存）

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八、数据传输（B2.9）

8.1 数据包化

数据宽度	一个缓存行所需 flit 数
128-bit	4
256-bit	2
512-bit	1

8.2 Limited Data Elision（LDE）

CHI H 的带宽优化：写零或全相同数据只需发一个 flit + 重复次数：

传统：WriteBack 64B = 4个flit
LDE：  WriteBack 64B = 1个flit + NumDat=3（接收方复制）

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九、重试机制（B2.10）

当 Home 资源不足时（如 DBID 用完）：

Requester → REQ → Home
Home → CRSP: RetryAck + AllowRetry=1 ← 资源不足
（等待 PCrdReturn）
Requester → REQ（重新发送）+ PCrdType=RETRY
Home → 正常处理

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十、总结

B2 是 CHI 协议的 “词汇表”，定义了 CHI 的一切通信单元。B2+B4+B5 的关系：

B2（事务结构：有什么消息）→ B4（协议规则：消息怎么交互）
→ B5（协议流图：完整的事务流示例）

下一站建议：理解了 B2 后，直接进入 B4 Coherence Protocol（CHI 最核心也最难的章节），那里定义了缓存状态机和 snoop 协议规则。