在AXI（Advanced eXtensible Interface）协议中，LOCK信号用于指示事务是否需要进行锁定操作。锁定操作确保特定事务在访问资源时不会被其他事务打断，这对于某些需要独占访问的操作至关重要。

LOCK信号的作用

LOCK信号主要用于实现以下功能：

互斥访问：
- 确保某些资源（如内存、外设等）在特定事务期间不被其他事务访问。
- 这对于多处理器系统或多个主控器并发访问共享资源时非常重要。
事务的原子性：
- 保证某些事务的操作是不可分割的，即在事务执行期间，其他事务无法访问被锁定的资源，从而确保事务的完整性和一致性。
- 例如，在执行读-修改-写操作时，确保在读取和写入期间资源不会被其他事务修改。

LOCK信号的编码

LOCK信号是2位宽的，它定义了事务的锁定类型。通常情况下，LOCK信号有以下几种状态：

LOCK 值	含义
0b00	正常访问（Normal）
0b01	互斥访问（Exclusive）
0b10	保留（Reserved）
0b11	保留（Reserved）

LOCK信号的使用场景

场景一：多处理器系统中的互斥访问

在多处理器系统中，当多个处理器需要访问共享资源（如内存或外设）时，使用LOCK信号可以确保某个处理器在访问资源期间不会被其他处理器打断。例如，一个处理器需要对内存中的某个关键数据结构进行修改时，可以使用互斥访问（LOCK=0b01）来锁定该内存区域，确保其他处理器在修改期间无法访问该内存区域。

场景二：实现原子操作

在某些情况下，需要确保一系列操作的原子性，即这些操作在执行时不能被打断。LOCK信号可以用来实现这种需求。例如，执行读-修改-写操作时，可以使用LOCK信号来锁定目标地址，确保在读和写操作之间，数据不会被其他事务修改。

示例1：多处理器系统中的互斥访问

假设有两个处理器（CPU0和CPU1），它们都需要访问共享内存中的某个关键数据结构。为了确保数据结构的完整性，CPU0在访问时使用LOCK信号进行互斥访问。

CPU0发起一个带有锁定信号的写事务：
- AWLOCK = 0b01（互斥访问）
- AWADDR = 0x2000（目标地址）
- AWSIZE = 0b010（4字节）
在CPU0完成对地址0x2000的写操作之前，CPU1无法访问该地址。这确保了数据结构在CPU0操作期间保持一致。

实例2：读-修改-写操作的原子性

假设在一个多处理器系统中，有一个共享的计数器变量。多个处理器需要对这个计数器进行增减操作。为了保证操作的原子性，我们需要确保读-修改-写操作在一个事务中完成，而不会被其他处理器的操作打断。

详细步骤

假设计数器变量存储在地址0x1000处，操作流程如下：

处理器A发起读操作，读取计数器值。
处理器A对计数器值进行修改（例如，加1）。
处理器A发起写操作，将修改后的计数器值写回同一地址。

为了确保以上步骤的原子性，使用LOCK信号进行锁定。

具体操作步骤

1. 处理器A发起带锁定信号的读操作

处理器A发起一个带锁定信号的读事务：

ARLOCK = 0b01（互斥访问）
ARADDR = 0x1000（计数器地址）
ARSIZE = 0b010（4字节）

Read request:
ARADDR = 0x1000
ARLOCK = 0b01
ARSIZE = 0b010

2. 处理器A接收计数器值并进行修改

处理器A接收计数器值（假设值为5），然后在本地对该值进行加1操作，得到新的值6。

Original value read from address 0x1000: 5
Modified value: 6

3. 处理器A发起带锁定信号的写操作

处理器A发起一个带锁定信号的写事务，将修改后的值写回地址0x1000：

AWLOCK = 0b01（互斥访问）
AWADDR = 0x1000（计数器地址）
AWSIZE = 0b010（4字节）

Write request:
AWADDR = 0x1000
AWLOCK = 0b01
AWSIZE = 0b010
Write data: 6

确保原子性

由于读操作和写操作都带有锁定信号，AXI总线协议会确保在这两个操作之间，其他处理器无法访问地址0x1000。这就保证了读-修改-写操作的原子性。

锁定序列必须始终以未设置AxLOCK信号的最终事务完成，最后一个事务仍包含在锁定序列中，但有其效地移除了锁定。

完整事务流程

读操作：
- 处理器A发起读请求，带ARLOCK = 0b01。
- AXI总线锁定地址0x1000，其他处理器的访问请求会被挂起。
- 处理器A读取值5。
修改值：
- 处理器A在本地将值5修改为6。
写操作：
- 处理器A发起写请求，带AWLOCK = 0b01。
- AXI总线继续锁定地址0x1000，其他处理器的访问请求继续被挂起。
- 处理器A将值6写回地址0x1000。
- 写操作完成后，AXI总线解除锁定，其他处理器可以访问地址0x1000。

协议补充

关于原子访问和锁定访问，AMBA5 AXI协议的规范中有以下补充信息，下面是对协议中部分内容的翻译。在此规范中，AxLOCK 表示 ARLOCK 或 AWLOCK。

锁定访问

规范中说明从AXI4协议起不支持锁定事务。然而，AXI3实现必须支持锁定事务。AXI4 移除了对锁定事务的支持，因为：

大多数组件不需要锁定事务。
实现锁定事务对以下方面有显著影响：——互连的复杂性——对服务质量保证的能力当管理器使用 AxLOCK 信号进行事务以表明它是一个锁定事务时，互连必须确保只有该管理器才能访问目标从属区域，直到来自同一管理器的未锁定事务完成。互连中的仲裁器必须强制执行此限制。在管理器开始一系列锁定的读写事务之前，它必须确保没有其他事务等待完成。任何带有 AxLOCK 指示锁定事务的事务都会强制互连锁定以下事务。因此，锁定序列必须始终以不带有 AxLOCK 指示锁定事务的最终事务完成。这个最终事务包含在锁定序列中，并有效地移除锁定。在完成锁定序列时，在发出最终解锁事务之前，管理器必须确保所有先前的锁定事务都已完成。然后，它必须确保最终解锁事务已完成，然后才能开始任何进一步的事务。管理器必须确保锁定序列中的所有事务具有相同的AxID值。注意，锁定访问要求互连在锁定序列进行时阻止任何其他事务发生，因此可能会对互连性能产生影响。此规范建议仅使用锁定访问来支持旧设备。此规范建议以下限制，但它们不是强制性的：
- 将任何锁定事务序列保持在单个4 KB地址区域内。
- 将任何锁定事务序列限制为两个事务。

原子访问

在 AXI3 中，AxLOCK 信号指定普通、独占和锁定访问。

LOCK 值	含义
0b00	正常访问（Normal）
0b01	互斥访问（Exclusive）
0b10	锁定访问（Locked）
0b11	保留（Reserved）

AXI4 移除了对锁定事务的支持，仅使用 1 位锁信号。

LOCK 值	含义
0b00	正常访问（Normal）
0b01	互斥访问（Exclusive）
0b10	保留（Reserved）
0b11	保留（Reserved）

在AXI4及以上环境中，任何AXI3锁定事务将按以下方式转换：

AWLOCK[1:0] = 0b10 转换为普通写事务，AWLOCK = 0b0
ARLOCK[1:0] = 0b10 转换为普通读事务，ARLOCK = 0b0

此规范建议，执行此类转换的任何组件，通常是互连，包括一个可选机制来检测并标记此类转换发生。如果任何组件在执行此转换时不能正确操作，则不能在AXI4环境中使用。

注意：对于许多使用锁定事务的遗留案例，例如执行SWP指令，可能需要软件更改以防止使用任何强制锁定事务的指令。

【芯片设计】AXI协议中那些“先不管”信号——AxLOCK