バックプレッシャの二つの流儀、BSV の EN/RDY と AXI の valid/ready

バックプレッシャは、受け手が受け取れないときに送り手を待たせる仕組みです。Bluespec SystemVerilog のメソッド呼び出しと AXI のチャネルは、どちらもバックプレッシャを持つ点対点の転送ですが、転送するかどうかの判断をどこで下すかが違います。BSV は両端の外側で判断し、AXI は両端の内側でそれぞれ判断します。この違いを、両方の思想、それぞれの接続法、生成された Verilog、そして比較の順に見ていきます。

BSV の思想、ルールが判断する

BSV のメソッドは、呼ばれる側が RDY を出し、呼ぶ側が EN を返す約束で動きます。ここで注意すべきは、点対点の両方の点はいずれも呼ばれる側ということです。呼ぶ側は点の外にいます。RDY は「今呼んでよい」という呼ばれる側の状態で、EN は「今呼ぶ」という呼ぶ側の決定です。EN を立ててよいのは RDY が立っているときだけで、RDY は EN に依存してはいけません。依存は RDY から EN への一方向です。

判断を下すのはルールです。ルールは複数のモジュールの複数のメソッドを一度に呼び、呼ぶメソッド全部の RDY が立っているときだけ発火し、発火すれば全部が同じサイクルに起こり、発火しなければ何も起こりません。この原子性を実現するには、関係する全員の RDY を一か所に集めて AND を取る場所が必要で、それがルールです。EN はその AND の結果を各メソッドに配る信号です。

EN にはもう一つの情報が畳み込まれています。同じサイクルに衝突する他のルールとの優先順位です。二つのルールが同じレジスタを書こうとすれば、どちらが勝つかをコンパイラが決め、負けた側の EN は落ちます。これは設計全体を見渡せるコンパイラだけが決められることです。

そしてこの約束はコンパイラが検査します。RDY の立っていないメソッドを呼ぶルールはそもそも発火しないので、準備のできていない相手を呼ぶ誤りは生成物に入りません。EN/RDY は、コンパイラが両端を見渡せる一つの設計の中で、原子的な合成を機械的に保証するための約束です。

AXI の思想、両端が判断する

AXI のチャネルは、送り手が valid を出し、受け手が ready を出し、両方が立っているクロックの立ち上がりで1件が渡ります。valid は「渡すものがある」という送り手の状態、ready は「受け取れる」という受け手の状態です。どちらも自分の状態の表明です。点対点の転送において、送信点と受信点のみがあり、その外にロジックはありません。

転送するかどうかは両端がそれぞれ判断します。送り手は valid と ready の AND を自分で計算して自分の出口を進め、受け手も同じ AND を自分で計算して自分の入口に取り込みます。両端の間にあるのは配線だけです。AND は両端の内側に一つずつ、合わせて二つあり、同じ値を計算しています。

この構造が成り立つ条件が、valid を ready に依存させてはいけないという規則です。両端が互いの状態を見て自分の AND を作るので、両方が相手に依存すると組み合わせループになります。そこで valid は自分の状態だけから決め、ready の側だけに相手を見ることを許して、依存を一方向に保ちます。EN/RDY の一方向の規則と同じ役割を、valid/ready では ready から valid への禁止が担っています。

判断を両端に閉じ込めた効果は、接続に第三者が要らなくなることです。どこの誰が作った IP でも、線をつなげば結合できます。fabric はルーティングとマルチプレクスに専念でき、転送の可否には関与しません。AXI は、互いの中身を知らない IP どうしを配線だけでつなぐための約束です。

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