本篇文章转载自一道Nvidia的面试题

Valid-Ready Handshake

Valid-Ready是非常常见的握手协议，我们熟悉的AXI总线的核心就是Valid-Ready协议。Valid-Ready协议的时序图如下图

Sender 来驱动valid信号和payload也就是data信号，Receiver接受valid和data，返回给Sender ready信号。当Sender有数据要传输的时候，Sender就把valid拉高，并且保持住，valid为高期间要传输的data必须保持稳定，等到Receiver拉高了ready，保持至少一个周期，那么我们就说握手完成，数据从Sender传输到了Receiver。简单来说，只有当valid和ready同时为高的时候，数据在这个周期传过去。

Valid-Ready是适合高性能传输的协议，只要Receiver可以持续接收数据，那么可以一直将ready拉高，而如果Sender也持续有数据发送，那么可以在看到ready为高之后的周期继续驱动valid为高来传输下一个数据，这样相当于每一个周期都可以有数据从Sender传至Receiver，中间可以没有bubble。这也就是为什么AXI总线选择了Valid-Ready握手协议。

Valid-Ready在设计中有一点要注意：
对于Sender来说，不能依据ready来决定要不要拉高valid；
对于Receiver来说，不能依据valid来决定要不要拉高ready;

也就是说，对于Sender来说，只要你有数据要传输，你就应该拉高valid，而不要管ready是不是1。同理，对于Receiver来说，只要你可以接收数据，你就应该拉高ready，而不要管valid是不是1。如果不满足上面的要求，你很可能遇见Sender和Reciever互相等待彼此而数据无法传输的死锁现象。老李当年就犯过这个错误，很不幸，和老李设计模块通信的另一个模块也犯了这个错误，发生了如下的对话：
老李：你ready为0，说明你没准备好接受啊，那我就不给你valid信号；
老陈：我ready为0又不是说我真没有准备好，你只要有data给我，我只要看到你valid为高我的ready自然就立刻为高了。
老李：。。。

4-phase Handshake

4-phase handshake其实源自asynchronous design这个大的领域，简单说就是没有时钟驱动，数据的传输都是基于握手。但是老李在实际工作中发现，4-phase handshake其实在有时钟的IP设计中也经常用到，是一个常见且很robust的握手协议。
这个握手协议的时序图如下，方便描述，我这里还是画出了时钟clock

其中Sender来驱动req和data，Reciever来驱动ack。之所以叫4-phase，是指以下4个phase:
phase1: sender和receiver都是idle状态，req和ack都为0；如上图的cycle 0, 1
phase2: sender拉高req，等待receiver的ack为高，同时驱动要传输的数据，并保持住; 如上图的cycle 2, 3
phase3: receiver拉高ack，此时req和ack同时为高；表示receiver已经接受到了数据；如上图的cycle 4
phase4: sender看到了ack，知道数据传输完成，于是拉低req。如上图cycle 5
最后receiver看到req被拉低，从而也拉低ack，回到phase1，即上图的cycle 6, 7。
也就是每一次传输数据，都需要经过a->b, b->c, c->d的顺序变化。和valid-ready协议有相似点，但是也有不同点。

相似点：req(valid)变高的时候，sender就需要drive valid data

不同点：valid-ready的valid在传输完一个数据之后可以不拉低，在下一个周期紧接着传输下一个数据，但是4-phase handshake必须要走完4个phase，即看到ack为1了之后必须要将req拉低，否则receiver的ack也不会拉低，receiver也不会认为一个新的传输开始。
由于4-phase handshake必须要走完4个phase，每次完整的握手只能传输一次数据，所以这种握手协议并不适用需要高速高吞吐率的数据传输。适用的场合更多的是对于数据传输延时要求不高，但是对于稳定性要求高的场合，即不能错过data。其实有的时候其实也不需要传输真正的data， req/ack本身可以自带一个握手的意义，表示完成一次握手，req/ack可以用来直接控制sender和receiver的状态机。

2-phase Handshake

理解了4-phase handshake， 2-phase handshake就很直观，直接上图

区别在于，2-phase handshake没有了phase3, phase4。当ack为1时，就认为第一次传输结束了。这个时候sender不需要drop req。只有当sender要继续发下一个数据的时候，才需要drop req，而receiver同样以toggle ack来表示数据接收成功。

这样我们看到，其实每一次req的翻转表示一次传输，不论是从0变到1，还是从1变到0。和4-phase handshake相比，在一个完整的4个phase里可以传输2次数据。

由于4-phase 要求req/ack握手结束后都要回到0，所以也称作RTZ（Return- to-Zero)协议。而2-phase的一次握手结束req/ack并不会回到0，所以也称作NRZ(Non-Return-to-Zero)。

2-phase尽管传输速度快，但是设计起来稍微复杂一点，因为要进行edge detection，同时由于每次req 翻转都代表了一个新的传输，所以sender和receiver的初始复位关系要很仔细地设计，否则容易产生一个不期望的garbage传输。

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数字芯片设计中常见的三个握手协议

Valid-Ready Handshake

4-phase Handshake

2-phase Handshake

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