探讨一下地址边界与地址对齐的概念及其选择

数据传输是基于地址进行的。在分析和设计微架构时，除了地址域之外，如何选择地址信号，我觉得也是值得注意的问题。

地址边界

还记得刚开始工作时，被安排维护AXI总线重排序的公共模块，当时有一个地址对齐的概念，如64Byte地址边界、128Byte或者256Byte地址边界，那会花了有一段时间才搞清楚，但也仅仅是搞清楚，也不清楚引入这一概念的原因，能解决哪些问题。

所谓地址边界，若某地址能够被一整数除净，该地址就称为整数对应的地址边界。在系统内都是以0/1的二进制，这一整数一般指的是2的幂次方，如4、8、16、64、128等等。举例来说，0x200, 0x240, 0x880等等都是64Byte地址边界；0x200，0x880是128Byte地址边界，但0x240不是128Byte地址边界。再谈谈CacheLine的概念。为提升系统访问内存的速度，通常会引入缓存Cache，也就是将Memory的内容先搬运到CPU附近。这一缓存是以块为单位的，需要访问时，则先将对应的缓存块搬运到Cache内。这一缓存块就称为CacheLine，是缓存Cahe管理的最小单位，可基于系统需求选择大小，如64Byte或128Byte，甚至是4KByte。每个CacheLine，除了存储其本身的数据之外，还需要记录其地址、是否修改等等额外信息。粒度越小，记录额外信息的资源占比越大；粒度大了，又会对数据的利用率下降；具体大小则需基于需求来确定，如对于AI/GPU计算，可考虑使用4KByte的Caheline。

地址对齐

在考虑微架构设计和软硬件接口时，访问Memory尽可能按照整块地址的访问，地址边界对齐，尤其是写操作。在一般的CPU计算机系统，采用的地址边界大小至少为64Byte，使用更大的区间，如128Byte/256Byt，在一些场景也是能够带来收益的。

数据总线利用率

系统互联总线的位宽较大，如128、256、512bit，甚至2048bit。但是，每一拍数据的地址并不是随机，而必须基于一定规则排列，参考AXI协议，如256bits的数据位宽，其地址低位必须是0-31。传输32Byte数据，若起始地址为32Byte边界对齐，1拍可以传输完成，利用率为100%，否则需要占用2拍，其利用率只有50%。

对于PCIe数据传输来说，其数据长度单位为DW，即4Byte，因此由于地址边界不对齐带来的影响比较小。

Full/Partial Write

系统存在CacheLine的定义，若访问操作为整CacheLine的写操作，则称为Full Write，否则为Partial Write。举例，CacheLine为64Byte，若访问地址低6位为0，长度为64Byte，就是Full Write；低6位不为0，或长度不为64Byte整数倍，则存在Partial操作。非地址对齐的访问操作，容易造成Partial Write，引入性能问题。

Read-modify-write

对于Cache、DDR，或者其余类似的Memory系统，存在最小操作粒度的概念。若写访问操作小于该最小操作粒度，则需要引入Read-modify-write。将对应地址的数据块读取出来，进行修改，再将数据写入对应地址，需要占用读通道的带宽。对于地址对齐的整块访问，直接写入即可。

DMA的地址选择

Host与PCIe Device之间大量数据的传输，基本都是由DMA(Direct Memory Access)完成的。简单来说，DMA就是从一个地址（源地址）读取连续的数据，再写入到另一个地址（目的地址）。硬件逻辑提供源地址、目的地址和搬运长度的软件编程接口，再被软件进行调用。复杂一些的硬件实现，还可以支持描述符、链表、搬运方式配置和其余系统属性的配置等等特性，如支持完成中断。

至于对数据搬运的地址选择，则是由调用DMA的软件进行控制的，但是也会受到上下游模块的约束，如Device侧的硬件引擎模块等等。

在考虑DMA数据流时，需基于系统层面对各模块的数据访问需求进行设计，尽可能使得DMA在Host和Device之间的数据搬运是地址边界对齐的。这一对齐包含两个方面，一是访问Device/Host的读写访问是基于地址边界对齐，二是源地址和目的地址的低位是相等的。两者其实是类似的，没有满足后者，也会引入大量的非地址对齐的操作。至于后者的地址低位，则需基于硬件实现进行考虑，考虑点就是上面描述的几点要素。

再来看看第二方面引入的逻辑复杂度，源地址和目的地址的低位相等。考虑源和目的方向使用了AMBA总线，数据位宽为512bit/64Byte，若需支持地址不对齐的场景，则需要512个64bit位宽的MUX；若仅需支持地址的低6bit相等，则完全不需要进行移位处理；若仅需支持地址的低2bit性能，硬件逻辑规模也减小为512个16bit位宽的MUX。大量的MUX逻辑也容易引入Congestion风险，需要做额外的优化处理。

结语

地址对齐的概念非常简单，但容易被忽略。对于软件人员来说，DMA就是应该支持任意地址到任意地址的数据搬运；但对硬件设计来说，可能需要付出很大的代价才能达成要求。可以考虑做一些折衷，软件做一些简单修改，使用地址对齐的数据搬运，硬件实现侧对地址对齐的操作进行尽量的优化，而对非地址对齐的做一些简化处理，不考虑性能但满足功能，达到较优的PPA。

原作者：芯工阿文