CHI中observe响应和order响应

在CHI协议中，每个请求可以生成一个或多个响应，不同响应表示Completer完成不同的操作之后，返回给requestor的通知。Requestor收到响应之后，根据响应类型来判断下一步需要做什么。

1、Observe响应

Observe响应确定一个transaction相对于来自于同一个requestor或其它requestors的 transactions之间的顺序。对于不同的属性，observe保证的地址范围不一致：

对于Cacheable属性：同一个cache line地址和NS属性的，不同cache line地址和NS属性的transaction，它们之间没有observe关系。

对于Non-cacheable或Device：相同的endpoint地址范围，这个endpoint地址范围通常是实现定义的，典型为：

如果用于peripheral device区域，那么是peripheral device大小；

如果用于memory区域，那么是cache line大小。

在CHI协议中有：CompData、DataSepResp、RespSepData、Comp、CompCMO和StashDone。针对不同请求类型(read、write、atomic、dataless等)，需要用不同observe响应。本文以Write操作中Comp响应作为代表来举例。

2、Order响应

Order响应决定了requestor何时可以发送下一个需要保序的请求，它针对的是同一个requestor，且order保证的地址不要求。只要requestor收到order响应后，再发送其它的请求，那么completer一定会做好这两笔请求之间的保序。

在CHI协议中有：ReadReceipt、DBIDResp和DBIDRespOrd。本文以Write操作中的DBIDResp响应为代表来举例。

3、Observe响应和Order响应的区别

图1为WriteUnique的传输流程图。Completer在收到WriteUnique后，可以按任意顺序返回DBIDResp和Comp响应，这取决于Completer架构的设计。

图1 WriteUnique的传输流程图

根据Order响应的定义，这笔WriteUnique操作至少要到达Completer内部对当前requestor的保序点，Completer才可以返回DBIDResp响应，这里需要注意的是，按道理Completer确定WriteUnique到达某个对当前requestor的保序点就可以返回DBIDResp响应，不需要这笔WriteUnique到达Completer内部总的保序点。如下图2所示。

图2 允许返回DBIDResp的点

根据Observe响应的定义，这笔WriteUnique操作要等Completer操作把系统内其它requestor的数据都无效之后，Completer才会返回Comp响应。之所以需要都无效掉，举个例子，比如另一个Requestor1内部有同cache line的副本，那没有无效掉就返回Comp响应的话，Requestor1内部的读操作，读到的仍然是旧值，还无法observe到WriteUnique的新值。如下图3所示，只有执行了步骤2, 3,4之后，Completer才可以进行步骤5，不然就算Core0对0x80地址写了01，Core1还是没有observe到，因为Core1内部仍然在使用00数据。

图3  Comp响应返回时间点

根据Completer微架构的不同，同一笔request操作，返回Comp和DBIDResp响应的顺序是不固定的，谁先满足响应的条件，谁就可以先发送。另外，由于CHI总线通常采用Mesh或Ring结构，先发送的响应也不一定先到达Requestor。

4、DBIDResp响应举例

以Arm architecture定义的non-Reordering(nR)属性举个DBIDResp响应应用的具体例子。如果一个Core内部有两笔nR属性的store操作(storeA, storeB)，它们访问的地址任意，但属于同一个peripheral device空间。那么Core需要如何发送通知CHI要做好这两笔store的保序呢？可以参考下图4和图5。

图4 WriteNoSnpA -> WriteNoSnpB -> WriteNoSnpC保序

图5 WriteNoSnpA和WriteNoSnpB不保序，WriteNoSnpB和WriteNoSnpC保序

Core在发送完第一笔StoreA的请求之后，需要等待下游返回DBIDResp响应后，再发送StoreB请求，这样下游就清楚StoreA和StoreB两者之间需要保序，否则，下游可能会乱序执行StoreA和StoreB，造成最终的结果与我们预期不一致。需要注意的是，如果Core收到StoreA的Comp响应，还没有收到DBIDResp响应，那么Core仍然不能发送StoreB，因为Comp响应是下游保证同address空间的保序。

Device属性的保序是按照Peripheral device空间来进行，所以在总线设计中，通常所有requestors的所有device请求都路由到同一个HN上去处理。而normal memory属性的地址空间通常可以按某些address位切割成很多份更小的空间，这些更小的空间有自己的HN，从而加速整个总线的并行处理能力。

5、总结

综上所述，Observe响应和Order响应各有各的用法，两者之间功能有部分重叠，但又有部分完全含义不一致。Observe响应倾向于多个requestors在同范围内的保序，Order响应倾向于单个requestor在同范围内的保序。

大家对一致性协议原理和内存模型有疑问的话，可以读读这两篇文章。

一文读懂Cache一致性原理

一文读懂Memory consistency model (内存模型)

感谢为本文提供思路的天才同事们提供的一些见解。

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