一種基於amba總線的自適應實時加權優先仲裁方法及仲裁器的製作方法
2023-06-06 13:52:41 1
專利名稱：一種基於amba總線的自適應實時加權優先仲裁方法及仲裁器的製作方法
技術領域：
本發明屬於AMBA總線仲裁技術領域，涉及一種基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁方法及仲裁器。
背景技術：
隨著半導體設計能力以及工藝製程的不斷進步，在單一晶片上集成多種功能模塊早已成為可能，SoC設計理念以及模塊復用思想的提出，更是使大規模數字集成電路的設計有了質的飛躍。現在的SoC晶片，集成了多個處理器及運算單元，包括中央處理器、圖像處理器、多媒體音頻/視頻編解碼器以及多種功能的數位訊號處理單元。在一個SoC系統中，決定系統性能的不再是單一處理器的運行速度，而主要取決於各個處理器單元之間的高效通信及其帶寬的平衡分配。仲裁器負責處理各個處理器訪問總線的優先級，協調多個處理器共享總線引起的競爭，保證總線資源合理、高效的分配，以使系統性能達到最優。AMBA 總線(Advanced Microcontroller Bus Architecture)是 ARM 公司提出的一種多級片上總線互聯結構，AMBA-AHB總線規定了仲裁協議及仲裁器的接口，但協議中並沒有規定仲裁器使用何種仲裁算法，因此仲裁器的仲裁算法設計具有很強的靈活性。
圖1所示為基於AMBA總線的仲裁器的示意圖。對AMBA總線的仲裁器示意圖中部分重要信號及功能的詳細說明如下HBUSREQx[15:0] :AHB總線主設備發出的請求訪問總線的申請信號。每個總線主設備都會有一個輸出到仲裁器的申請信號HBUSREQx，AHB總線系統最多支持多達16個獨立的AHB總線主設備。HGRANTx[15:0]:授予信號是仲裁器的輸出信號，表示最高優先級的主設備獲得訪問總線的授權。主設備在HGRANTx信號為高且HREADY有效的時鐘HCLK上升沿獲得總線授權。HMASTER[3:0]:仲裁器使用HMASTER[3:0]信號表示獲得總線授權的主設備編號，該信號還用來控制中央地址解碼器和控制信號多路選擇器。當有從設備申請進行一次SPLIT傳輸時，應該記錄當前主設備編號HMASTER，以使從設備恢復傳輸時能夠告知仲裁器授予相應主設備總線使用權。HLOCKx [15:0]:主設備在發起一次鎖定傳輸時，與請求信號一起聲明的鎖定傳輸信號。鎖定傳輸信號提不仲裁器主設備正在執行一系列不可分割的傳輸。一旦鎖定傳輸開始，在本次傳輸結束之前，仲裁器不能將總線控制權授予其他主設備。HMASTERLOCK :仲裁器通過聲明HMASTERLOCK信號來表明當前傳輸是一次鎖定傳輸，該信號具有和地址以及控制信號相同的時序。HRESP[1:O] =HRESP是從設備傳輸響應信號，在傳輸進行階段如果從設備認為傳輸的執行將佔用大量的時鐘周期時，從設備可以發出一個SPLIT響應。該信號提示仲裁器當前進行傳輸的主設備不應該繼續佔用總線，直到從設備做好完成這次傳輸的準備發出SPLIT申請，先前的主設備將再次獲得總線並完成數據傳輸。HSPLITx [16:0]:當從設備能夠完成一次SPLIT傳輸時，將聲明HSPLITx [15:0]所對應位，以便通知仲裁器賦予相應主設備總線授權以完成傳輸。由於AMBA總線規範沒有規定總線仲裁算法，因此設計者可以根據需要自由的進行算法的選擇和修改。但不論哪一種算法，都應該滿足以下四個基本要求:(I)每一時刻只能有一個主設備佔用總線；(2) 一次完整傳輸不允許被打斷；(3)先請求的主設備應該首先得到響應，當同一時刻有多個主設備發出請求時，應該按照仲裁算法的優先級次序進行響應。(4)仲裁算法應該保證「公平」，保證每個主設備都可以在一定的時間內獲得總線。比較常見的仲裁算法主要包括固定優先級算法、輪轉優先級算法、基於固定優先級和輪轉優先級的混合優先級算 法以及加權優先循環算法等。A.固定優先級算法:所謂固定優先級算法是指每個主設備訪問共享總線的優先級是固定的，重要性高的主設備相應的要保證高的優先級，這種算法雖然保證了主設備的運行速度，但是其缺點也很明顯，就是當高優先級主設備長期佔用總線時，低優先級的主設備等待時間會很長，缺乏公平性。B.輪轉優先級算法:輪轉優先級算法是指主設備的優先級會隨著主設備佔用總線而變化，當一個主設備佔用總線後，它的優先級隨即變為最低從而使其他低優先級主設備有機會獲得總線。這種算法 保證了公平性，由於這種算法過於平均，使得每個主設備訪問總線的帶寬幾乎一樣，而當主設備需要更大的帶寬進行多次實時數據傳輸時，會由於優先級的降低而增加訪問延遲，降低數據傳輸效率。C.混合優先級算法:混合優先級算法是指將固定優先級算法和輪轉優先級算法相結合，通常給主設備A賦予最高的優先權，其他主設備仍舊採用輪轉優先級算法。雖然這種算法在一些特定的情況下能夠適應系統各主設備對共享總線的帶寬需求，但是由於周邊主設備仍舊採用的是輪轉優先級算法，因此並不能從根本上解決對各總線主設備合理分配總線帶寬的問題。D.加權優先循環算法:加權優先循環算法是指根據主設備的不同需求分配給其不同的加權因子，從而決定不同主設備訪問總線的優先級別，而這個加權因子也決定了在一次循環中各主設備訪問總線的次數Ci,其原理如下:假設系統中有η個主設備，每個主設備
η
的初始加權因子為Wi，其中W..>W1...>Wn，則加權因子之和為
權利要求
1.一種基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁方法，其特徵在於，包括以下操作: 在一次完整循環的初始階段，各主設備的加權因子復位，各個主設備的加權因子為Wi,Wi也決定了一次循環中每個主設備最多得到總線的次數Ci, Wi=Ci ； 在一次循環中，各主設備的優先級高低由加權因子決定，加權因子越大的主設備優先級越高；各個主設備的優先級在每一次發生總線仲裁後重新進行排序，當一個主設備得到一次總線授權後，其相應的加權因子遞減1，伴隨著加權因子的減小，各主設備的優先級實時地發生變化，以新的優先級順序作為下一次仲裁的依據；當某一個主設備的加權因子減小到O後，各個主設備的加權因子會重新復位，開始下一輪循環。
2.如權利要求1所述的基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁方法，其特徵在於，若一個主設備得到一次總線授權後，其相應的加權因子遞減I之後與其他主設備的加權因子相等時，之前被總線授權的主設備的優先級大於其他主設備。
3.如權利要求1所述的基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁方法，其特徵在於，設各個主設備的加權因子W..>w1...>wn,則加權因子之和為w.
4.如權利要求1所述的基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁方法，其特徵在於，所述的各主設備的加權因子的產生為: 主設備傳輸計數模塊對一定時間內各主設備的傳輸次數進行統計，當任何一個主設備的傳輸次數達到預設值時，對此段時間內各主設備發送數據次數進行寄存，得到各主設備的傳輸數據值tranSX_count，並將該值發送給加權因子基礎值產生模塊；加權因子基礎值產生模塊根據tranSX_count值得到各主設備的加權因子基礎值Dl ； 與此同時，主設備等待計數模塊對各主設備的等待時間進行記錄，當任何一個主設備的等待時間所經歷的HCLK周期達到預設值時，對各個主設備的等待時間計數器值waitX_count進行寄存，並將該值發送給加權因子修正值產生模塊；加權因子修正值產生模塊根據waitX_count值得到加權因子修正值D2 ； 主設備等待計數模塊同時負責產生各主設備新的加權因子值，當任何一個主設備的等待時間達到預設值時，主設備等待計數模塊發出sample_data信號；同時將加權因子基礎值D1、加權因子修正值D2相加取平均值，將結果與當前各主設備加權因子相加，並且再次取平均值，得到下一階段的各主設備加權因子值。
5.一種基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁器,其特徵在於,包括: 權重位產生模塊，該模塊通過對總線上各主設備的傳輸數據的數量和等待時間進行監視，對各主設備的傳輸需求進行預測，產生各主設備的初始加權因子並將其發送給優先級產生模塊； 優先級產生模塊，該模塊接收權重位產生模塊傳送過來的各主設備的初始加權因子，以此作為一次循環中各主設備訪問次數的初始值；在一次循環中每一次發生總線仲裁，對相應得到總線的主設備的加權因子值進行減I操作，伴隨著加權因子的變化，主設備優先級排序也實時發生變化，新的主設備優先級排序將作為仲裁時總線授權的依據，並實時地獲得發出總線申請並且具有最高優先級的主設備編號；當各主設備的加權因子中有減小為O的值時，加權因子重新賦值，開始下一次循環； 總線移交判定模塊，該模塊對總線的控制信號、鎖定傳輸標誌以及分塊傳輸控制模塊信號進行檢測，當控制信號達到總線移交的標準時，總線移交判斷模塊的輸出控制信號有效，發出仲裁許可信號；仲裁信號輸出模塊接收到輸出控制信號有效後，完成一次總線的仲裁和移交； 鎖定傳輸模塊，鎖定塊傳輸控制模塊用來處理主設備的鎖定傳輸申請，當主設備在申請總線的同時聲明HL0CK_M[15:0]信號的相應位時，則主設備發起的是一次鎖定傳輸；鎖定傳輸模塊確保發起鎖定傳輸的主設備在獲得總線後沒有其他的主設備被授予總線直至傳輸結束；當鎖定傳輸結束前，如果從設備發出SPLIT響應，則此時總線主設備將授權給虛擬主設備； 仲裁信號輸出模塊，該模塊在接到總線移交判定模塊發出的輸出控制信號有效信號後，對優先級產生模塊生成的主設備編號進行寄存和解碼，並對該主設備所對應HGRANT_M[15:0]信號的相應位進行聲明；同時，仲裁信號輸出模塊還對被授予的主設備編號HMASTER進行輸出，表明哪個主設備正在佔用總線並進行一次傳輸；仲裁信號中的鎖定傳輸信號HMASTERLOCK由鎖定傳輸控制模塊得到。
6.如權利要求5所述的基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁器，其特徵在於，所述的權重位產生模塊包括主設備傳輸計數模塊、基礎值產生模塊、主設備等待計數模塊和修正值產生模塊； 各主設備的權重位產生為: 系統復位後，各主設備的加權因子值為預設值，此時各主設備的加權因子相等； 主設備傳輸計數模塊和主設備等待計數模塊分別對主設備的數據傳輸量和等待時間進行統計；當確認主設備進行了一次數據的發送時，相應主設備的傳輸計數值tranS_count加I ;當確認主設備正在申請一次總線,但並未得到總線授權,主設備處於等待狀態，相應主設備的等待時間計數值weight_count加I ; 各主設備的發送數據計數值和等待時間計數值分別和各自的內部比較值比較，當任何一個主設備的數據傳輸計數器值與預設比較值相同時，對此刻所有主設備的傳輸數據計數值trans_count進行寄存，同時對各個計數器值進行清零，準備下一輪計數；當任何一個主設備等待時間計數值與預設比較值相等時，對各主設備的計數值wait_Count進行寄存，並將計數器值清零； 對於採樣得到的各主設備數據傳輸計數器值trans_count和等待時間計數器值wait_count，分別輸入到基礎值產生模塊和修正值產生模塊，得到各主設備的4bit 二進位加權因子的基礎值Dl和修正值D2 ； 基礎值Dl的產生為:對各個主設備的傳輸計數值進行排序，如果兩個主設備的計數值相等，則根據各個主設備的接口順序進行排列並賦值，給傳輸計數值最大的主設備賦值為特定值，其餘主設備按照順序遞減； 修正值D2的產生為:對各主設備等待時間計數值進行比較，對於計數值達到預設值的主設備，將其修正值賦值為特定值，其餘主設備的修正值均為O ; 將各個主設備的加權因子基礎值Dl和修正值D2相加，對得到的結果取平均值，得到SI，這個結果與當前各主設備的加權因子值再次相加取平均值，得到S2 ； 當等待時間計數器與內部 預設值相等時，發出sample_data信號，對S2值進行採樣，從而得到下一個階段各個主設備的加權因子值。
7.如權利要求5所述的基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁器，其特徵在於，所述的優先級產生模塊包括掩膜模塊、最高優先級主設備判定模塊、分塊主設備產生模塊以及主設備選擇控制模塊； 掩膜模塊，該模塊對各從設備發出的應答信號HRESP和從設備的分塊傳輸請求信號HSPLIT進行檢測，當從設備不能立刻響應主設備的傳輸請求，應答信號HRESP為SPLIT響應時，表示嘗試這次傳輸的總線主設備不應該被授予總線，掩膜模塊記錄此時佔用總線的主設備編號，並對相應的主設備申請進行屏蔽，從而使其他低優先級的主設備佔用總線；當發出SPLIT響應的從設備確定能夠完成傳輸，掩膜模塊在接到此信號的同時，解除對相應主設備的屏蔽，以使總線能夠及時授予相應的主設備以重試傳輸； 最高優先級主設備判定模塊，該模塊對各主設備的優先級進行排序，得到申請總線的最高優先級主設備的編號；最高優先級主設備產生為: 對權重位產生模塊傳輸來的各個主設備的權重值masterX_weight_value進行寄存，作為加權因子計數值count_x的初始值，同時對總線上各主設備的傳輸狀態進行監測，在一次循環中，各主設備的加權因子以寄存的masterX_weight_value為基礎進行遞減，優先級排序邏輯對各主設備的加權因子計數值進行比較，實時得到各個主設備的優先級排序；當某個主設備進行一次總線傳輸後，其相應的加權因子計數值(30111^_1減I ;最高優先級產生邏輯根據此排序以及各主設備的申請，得到此刻申請總線且具有最高優先級的主設備編號 alg_next_master ； 當任何一個主設備的加權因子計數值count_X為O時，主設備選擇控制模塊將重新載入各個主設備的權重值masterX_weight_value,作為加權因子計數值的初始值,並開始下一輪判定； 分塊主設備產生模 塊，當有從設備聲明HSPLIT[15:0]的相應位以發起一次分塊傳輸時，分塊主設備產生模塊根據此刻各主設備的優先級排序，將申請分塊傳輸的各主設備中具有最高優先級的主設備編號most_sig_hsplit送入主設備選擇控制模塊； 主設備選擇控制模塊，該模塊對總線申請以及鎖定和分塊傳輸信號進行檢測，得到不同的控制信號，輸出next_master主設備編號。
8.如權利要求5所述的基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁器，其特徵在於，所述的總線移交判定模塊在以下幾種情況下將發起一次總線仲裁: O當總線從設備請求一次分塊傳輸，並且當前主設備沒有進行一次鎖定傳輸時，總線移交判定模塊使輸出控制信號require_arbiter有效,進而完成一次總線的仲裁； 2)當從設備沒有發出分塊傳輸請求，並且當前主設備的傳輸不是鎖定傳輸時，有: a、當前主設備沒有傳輸數據時，總線移交判定模塊使require_arbiter信號有效,實現一次總線的仲裁； b、當前主設備正在進行一次非連續單一突發傳輸，則此時總線移交判定模塊可發起一次仲裁，總線仲裁允許信號require_arbiter=l』 bl ； C、當前主設備在進行4拍增量突發或者4拍迴環突發的最後一個數據傳輸周期，總線移交判定模塊可發起一次仲裁，總線仲裁允許信號require_arbiter=l』 bl ； d、當前主設備在進行8拍增量突發或者8拍迴環突發的最後一個數據傳輸周期，總線移交判定模塊可發起一次仲裁，總線仲裁允許信號require_arbiter=l』 bl ；e、當主設備進行一次不定長突發傳輸時，是否發起一次總線仲裁，由當前佔用總線的主設備決定；當主設備在傳輸數據的同時繼續發出總線申請信號時，總線移交判定模塊不發出總線仲裁允許信號；當主設備在傳輸數據的同時沒有發出總線申請信號，此時總線移交判定模塊發出總線仲裁允許信號。
9.如權利要求5所述的基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁器，其特徵在於，所述的鎖定塊傳輸控制模塊同時還對HMASTERLOCK信號進行聲明，以表不一次鎖定傳輸，HMASTERLOCK信號屬於仲裁信號的一部分。
10.如權利要求5所述的基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁器，其特徵在於，所述的自適應實時加權優先仲裁器接收主機的總線申請信號HBUSREQ[15:0]及鎖定傳輸信號HLOCK[15:0]，輸出仲裁信號；MUX1通過對仲裁器輸出信號HMASTER進行解碼，將獲得授權的主設備發出的控制信號、地址信號以及數據信號輸出到總線上，監視模塊對各個主機的發送時間和總線授權時間 進行記錄。
全文摘要
本發明公開了一種基於AMBA總線的自適應實時加權優先仲裁方法及仲裁器，在一次循環中，各主設備的優先級高低由加權因子決定，加權因子越大的主設備優先級越高；各個主設備的優先級在每一次發生總線仲裁後重新進行排序，當一個主設備得到一次總線授權後，其相應的加權因子遞減1，伴隨著加權因子的減小，各主設備的優先級實時地發生變化，以新的優先級順序作為下一次仲裁的依據；當某一個主設備的加權因子減小到0後，各個主設備的加權因子會重新復位，開始下一輪循環。改善了加權優先循環算法在一次循環中低優先級主設備等待時間過長的缺陷，同時解決由於加權因子固定而使各主設備所分配的總線帶寬無法根據系統功能的變化而實時變化的問題。
文檔編號G06F13/38GK103077141SQ201210575069
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者王少峰, 耿莉, 鈔朝燕, 陳鐳鋮, 趙慧 申請人:西安交通大學