什么是链表？怎样使用链表作为队列管理电路

前文聊了队列管理的几种典型电路，硬件逻辑简单，代码实现时容易操作。链表也是队列管理的常用电路，相比前文的几种结构，会稍微复杂一些。

1 什么是链表

在非连续、非顺序的物理存储结构上，通过指针的方式记录元素的顺序关系。在硬件电路中，通常使用generate组建table，记录每个entry的内容，除了有效位和Payload之外，还有link_next，可能有head/tail信息。head/tail信息也可以基于队列进行单独记录，而不在table体现。

使用NEXT标注链表下一个元素的位置，也即table对应的标号。

2 链表操作

使用链表作为队列管理电路，涉及到的逻辑主要包括查找空闲entry、添加元素和释放元素，其中添加和释放需要先获取tail或head位置。除此之外，如有其余需求，则做相应处理。

2.1 查找entry

新请求输入至队列，可放置在table任意位置，需查找到一个空闲的entry添加该请求至相关队列的尾部。一般来说，从table的index 0处开始查找，获取第一个可用的entry，使用如下代码。

always @* begin : gen_idle_entry
  integer i;
  reg flag;
  flag = 1'b0;
  for ( i = 0; i < TABLE_DEPTH; i = i + 1) begin
    if (~flag & table_entry_idle[i]) begin
      table_entry_sel[i] = 1'b1;
      flag = 1'b0;
    end else begin
      table_entry_sel[i] = 1'b0;
    end
  end
end

在Spinal Lib提供了一种简洁的方式，可以参考一下。

def first[T <: Data](that : T) : T = new Composite(that, "ohFirst"){
  val input = that.asBits.asUInt
  val masked = input & ~(input - 1)
  val value = cloneOf(that)
  value.assignFromBits(masked.asBits)
}.value

除此之外，还可以用其余的查找方式，其实就是一种调度逻辑，如定义一个计数器，需要查找时则计数，检查对应entry是否空闲，但速度较慢。

2.2 添加元素

完成entry查找后，有两方面内容，一是将请求保存至entry内，二是更新上一元素的NEXT信号。

将请求保存至entry，较为简单，根据查找逻辑得到的sel信号选择对应entry，更新其内容及其head/tail信号。

更新上一元素的NEXT信号及其head/tail信号。若table内采用了tail信号，相关处理代码如下，其中table_next信号可使用不带复位的寄存器。

assign table_next_update[index] = table_valid[index] & table_tail[index] & (table_queue_id[index] == req_queue_id);
always @ (posedge clk) if (table_next_update[index]) begin
  table_next[index] <= req_table_entry;
end
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
  if(~rst_n)
    table_tail[index] <= 1'b0;
  else if (table_next_update[index])
    table_tail[index] <= 1'b0;
  else if (req_table_sel[index])
    table_tail[index] <= 1'b1;
end

2.3 释放元素

链表通常用于记录操作的先后顺序，tail添加，head释放；但也有用于管理credit的场景，tail添加，也在tail释放。

在链表的head释放，主要需要完成两个操作，一是释放Entry，对valid进行清零，二是head信号传递。首先，通过调度逻辑选取需释放的链表Entry，获取其NEXT信号，并将其valid信号进行清零；然后，将NEXT所指向Entry的head信号进行置位。若存在时序紧张，可将NEXT信号进行打拍，但要注意valid清零与head置位是否存在功能时序要求。

在链表的tail释放，是类似的，区别是需置位tail信号，基于释放的Entry匹配获取链表的上一元素，代码如下。对于这一场景，也可以考虑使用逆向链表，释放逻辑就跟上面的head释放是类似的了，但添加元素会有所区别。插入一个问题，存在双向链表的数据结构，但从硬件来看，其实没有必要，或者说硬件链表就是双向链表，一侧使用NEXT标识，另一侧使用NEXT匹配。

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (~rst_n)
    table_tail[index] <= 1'b0;
  else if (table_next_update[index])  // new entry added to tail
    table_tail[index] <= 1'b0;
  else if (req_table_sel[index])  // added as new entry
    table_tail[index] <= 1'b1;
  else if (release_grant & (table_next[index] == release_index))
    table_tail[index] <= 1'b1;
end

3 链表应用

链表的特征是在无序的结构内记录先后顺序关系。理论来说，所有队列管理电路都可以使用链表实现，但其需要一些逻辑开销，并不适用于所有场景。个人理解，存在多个队列和乱序释放的场景，可以考虑使用链表。

只有单个队列，直接使用FIFO就足够了；顺序释放元素，其存储结构相当于是顺序释放的，使用链表的必要性也不大。在乱序释放的场景中，必定会存在离散的空闲Entry，若需要提高table的利用率，链表则是一个较优解。

举一个链表使用的典型例子。AXI接口的不同ID存在乱序返回的场景，发送至不同目的侧的延时存在差别，上游存在多个源头，且不同源头又期望顺序返回响应。需要使用数据结构记录ID的状态，可以使用链表维护ID的使用及其先后关系。新发出操作先从table获取一个空闲的Entry，也即添加元素，使用该Entry的Index作为ID，基于源头建立链表关系；操作返回后，则按顺序释放Entry，返回响应。当然，若仅存在一个源头，或上游也无需顺序返回响应，使用链表的意义不大。

4 类FIFO的伪链表

考虑一个场景，需要较大数量的Entry，如256，实现链表结构，可想而知，维护该链表所需的资源。另外，链表管理逻辑、Entry Payload 选取需要的MUX逻辑等等，在后端实现时，还可能出现Congestion风险。

简单的做法就是，将较大数量的Entry进行分组，组内按顺序使用，不同组之间则使用链表NEXT指针。如将256分为16组，每组16个Entry，不同组之间基于链表维护，组内Entry使用则按顺序使用，同一组的16个Entry空闲或其空闲数量满足要求后，可再分配使用。基于每组16个Entry进行逻辑处理，不同组之间可添加寄存器打拍等等，降低Congestion风险。

之前在做IP开发时，TLP转AXI操作涉及到的ID分配和维护，就采用了这种伪链表的形式。每组32个Entry，例化了很多组，实现了AXI接口较大的Outstanding数量。将TLP转化为AXI操作，需将较大的TLP报文切分为多个AXI操作，每个TLP报文作为一个队列，由于TLP报文最大为4KByte，一个队列最多只存在32个元素，多组之间就不再需要NEXT指针进行维护了。每组内进行空闲Entry的搜索，找出连续且可用的最大数量的Entry，再供TLP转换AXI时使用。

这一结构相对简单，存在的问题是会降低利用率。但是，从另一方面来看，在系统中，乱序是小概率的，顺序是常见的，使用这一结构可以达到期望的功能，在PPA方面也是较优解。