前文介紹了一個(gè)固定優(yōu)先級(jí)arbiter的可綜合SysyemVerilog代碼，你一定注意到了該設(shè)計(jì)的一個(gè)最大缺點(diǎn)。存在靜態(tài)優(yōu)先級(jí)意味著，在某些情況下，低優(yōu)先級(jí)的模塊可能永遠(yuǎn)無(wú)法得到服務(wù)。這被稱(chēng)為餓死，在某些設(shè)計(jì)中可能沒(méi)問(wèn)題，但在某些設(shè)計(jì)中，我們可能需要避免這種情況。

在下面的這篇文章中介紹了很多種輪詢(xún)仲裁方案。

「數(shù)字芯片設(shè)計(jì)【不定期更新文件】」

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避免它的一種方法是輪詢(xún)優(yōu)先級(jí)。一旦請(qǐng)求模塊得到服務(wù)，下一個(gè)模塊將獲得最高優(yōu)先級(jí)，以循環(huán)方式進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的調(diào)整。這就是為什么這個(gè)仲裁器被稱(chēng)為Round Robin輪詢(xún)仲裁器，它用于避免設(shè)計(jì)中的餓死。

某個(gè)模塊的請(qǐng)求必須等待的最大時(shí)間取決于此設(shè)計(jì)中的請(qǐng)求者數(shù)量。

always_comb begin
 case (pointer_reg)
 2'b00 :
 if (req[0]) grant = 4'b0001;
 else if (req[1]) grant = 4'b0010;
 else if (req[2]) grant = 4'b0100;
 else if (req[3]) grant = 4'b1000;
 else grant = 4'b0000;
 2'b01 :
 if (req[1]) grant = 4'b0010;
 else if (req[2]) grant = 4'b0100;
 else if (req[3]) grant = 4'b1000;
 else if (req[0]) grant = 4'b0001;
 else grant = 4'b0000;
 2'b10 :
 if (req[2]) grant = 4'b0100;
 else if (req[3]) grant = 4'b1000;
 else if (req[0]) grant = 4'b0001;
 else if (req[1]) grant = 4'b0010;
 else grant = 4'b0000;
 2'b11 :
 if (req[3]) grant = 4'b1000;
 else if (req[0]) grant = 4'b0001;
 else if (req[1]) grant = 4'b0010;
 else if (req[2]) grant = 4'b0100;
 else grant = 4'b0000;
 endcase // case(req)
end

此代碼適用于具有4位請(qǐng)求的RR仲裁。優(yōu)先級(jí)根據(jù)變量pointer_reg進(jìn)行輪換，每當(dāng)請(qǐng)求者獲得服務(wù)時(shí)，pointer_reg都會(huì)發(fā)生變化。例如，如果模塊0被服務(wù)，那么最高優(yōu)先級(jí)將是模塊1。當(dāng)模塊1被服務(wù)時(shí)，模塊2將獲得最高優(yōu)先級(jí)。

我們可以寫(xiě)出計(jì)算pointer_reg值的邏輯，如下所示：

logic [1:0] pointer_req, next_pointer_req;
 
 always @(posedge clock) begin
 if (reset) pointer_req <= '0;
 else       pointer_req <= next_pointer_req;
 end
 
 always_comb begin
 assign next_pointer_req = 2'b00;
 casez (gnt)
 4'b0001: next_pointer_req = 2'b01;
 4'b0010: next_pointer_req = 2'b10;
 4'b0100: next_pointer_req = 2'b11;
 4'b1000: next_pointer_req = 2'b00;
 endcase
 end

就像固定優(yōu)先級(jí)仲裁一樣，這種設(shè)計(jì)是不可擴(kuò)展的。輸入請(qǐng)求數(shù)量較多的代碼編寫(xiě)起來(lái)很繁瑣，而且容易出錯(cuò)。下面介紹其他可擴(kuò)展且易于參數(shù)化的設(shè)計(jì)。 

The Rotate + Priority + Rotate Design

以“Rotate + Priority + Rotate”的設(shè)計(jì)為例。它使用固定優(yōu)先級(jí)仲裁器，并向右或向左移動(dòng)輸入，以模仿優(yōu)先級(jí)的旋轉(zhuǎn)。假設(shè)4'b1011是第一個(gè)輸入，這次沒(méi)有移位，因?yàn)檫@是第一個(gè)輸入。假設(shè)LSB具有最高優(yōu)先級(jí)，當(dāng)我們將其發(fā)送給固定優(yōu)先級(jí)仲裁器時(shí)，此輸入的輸出將為4'b0001。假設(shè)下一個(gè)輸入是4'b0011。通常，這種情況的輸出也是4'b0001，但在RR仲裁的情況下不是。由于這是第二個(gè)輸入，我們將其移動(dòng)1，因此對(duì)固定優(yōu)先級(jí)仲裁器的輸入現(xiàn)在變?yōu)?'b1001，輸出也變?yōu)?'b0001。但這不是我們的最終輸出，因?yàn)樵谟?jì)算輸出grant信號(hào)之前，我們將輸入“向左右”移動(dòng)了1，現(xiàn)在我們必須將其“向左”旋轉(zhuǎn)1才能獲得最終輸出，這樣輸出現(xiàn)在變成4'b0010。這是一個(gè)簡(jiǎn)單但有效的設(shè)計(jì)。決定左右旋轉(zhuǎn)的指針邏輯可以很容易地以我之前提到的方式編碼。這種設(shè)計(jì)速度不是很快，因?yàn)樾枰罅康牟僮鱽?lái)生成grant輸出，但綜合時(shí)需要非常小的面積。

The MUXed parallel priority arbiters

從圖表中可以看出，這個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)大。該設(shè)計(jì)還是使用固定優(yōu)先級(jí)仲裁器，每個(gè)輸入請(qǐng)求都有一個(gè)固定優(yōu)先級(jí)仲裁器。隨著輸入請(qǐng)求者數(shù)量的增加，它只會(huì)越來(lái)越大。但好的方面是，它非?？?。由于所有優(yōu)先級(jí)仲裁器的輸出grant已經(jīng)計(jì)算好了，我們只是從中選擇一個(gè)輸出。讓我們嘗試為4位輸入請(qǐng)求總線(xiàn)編寫(xiě)此設(shè)計(jì)代碼。

module muxed_rr_arb(
 input logic clock,
 reset,
 input logic [3:0] req,
 output logic [3:0] gnt
);
 
 logic [3:0] mux_ip0, mux_ip1, mux_ip2, mux_ip3;
 
 //Instantiate fixed priority arbiter and calculate the grant output for shifted priorities
 fixed_pri_arbiter inst0 (.req(req),    .gnt(mux_ip0));
 fixed_pri_arbiter inst1 (.req(req>>1), .gnt(mux_ip1));
 fixed_pri_arbiter inst2 (.req(req>>2), .gnt(mux_ip2));
 fixed_pri_arbiter inst3 (.req(req>>3), .gnt(mux_ip3));
 
 //Select line pointer calculation
 logic [1:0] pointer_req, next_pointer_req;
 
 always @(posedge clock) begin
 if (reset) pointer_req <= '0;
 else 	 pointer_req <= next_pointer_req;
 end
 
 always_comb begin
 assign next_pointer_req = 2'b00;
 casez (gnt)
 4'b0001: next_pointer_req = 2'b01;
 4'b0010: next_pointer_req = 2'b10;
 4'b0100: next_pointer_req = 2'b11;
 4'b1000: next_pointer_req = 2'b00;
 endcase
 end
 
 //Final output
 always_comb begin
 case (pointer_req)
 2'b00: gnt = mux_ip0;
 2'b01: gnt = mux_ip1;
 2'b10: gnt = mux_ip2;
 2'b11: gnt = mux_ip3;
 endcase
 end
 
endmodule

您可以使用generate for循環(huán)來(lái)實(shí)例化固定優(yōu)先級(jí)仲裁器，輕松地對(duì)此設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)化。

Two Simple Priority Arbiters with a Mask

此設(shè)計(jì)使用兩個(gè)固定的優(yōu)先級(jí)仲裁。一個(gè)用于計(jì)算請(qǐng)求輸入的grant輸出，另一個(gè)用于計(jì)算帶有屏蔽請(qǐng)求輸入的grant輸出。屏蔽請(qǐng)求是通過(guò)使用mask變量對(duì)輸入請(qǐng)求進(jìn)行AND來(lái)計(jì)算的，每次請(qǐng)求服務(wù)時(shí)，其值都會(huì)發(fā)生變化。mask邏輯如下所示：

always@(/*AUTOSENSE*/pointer_reg) begin
 case (pointer_reg) // synopsys full_case parallel_case
 2'b00: req_mask <= 4'b1111;
 2'b01: req_mask <= 4'b1110;
 2'b10: req_mask <= 4'b1100;
 2'b11: req_mask <= 4'b1000;
 endcase
end

這是一個(gè)非常有效的解決方案，在論文中提到的所有設(shè)計(jì)中，它提供了最佳性能。

Weighted RR Arbiter

這也是一個(gè)輪詢(xún)仲裁，但有一點(diǎn)變化。例如，讓我們假設(shè)請(qǐng)求者0的權(quán)重值為3，請(qǐng)求者1的權(quán)重值為2。如果在第一個(gè)周期中，輸入為4'b0011，請(qǐng)求者0將被服務(wù)?，F(xiàn)在請(qǐng)求者0已服務(wù)，其權(quán)重減少到2。請(qǐng)求者1的權(quán)重值仍然為2。假設(shè)輸入在第二個(gè)周期中是相同的，即4'b0011。理想情況下，這次請(qǐng)求者1應(yīng)該根據(jù)循環(huán)計(jì)劃獲得服務(wù)，但由于請(qǐng)求者0和1的權(quán)重相同，我們假設(shè)LSB具有最高的優(yōu)先級(jí)，請(qǐng)求者0將再次獲得服務(wù)，其權(quán)重將減少到1?，F(xiàn)在，如果我們?cè)诘谌齻€(gè)周期中看到相同的輸入，請(qǐng)求者1的權(quán)重值更大，因此請(qǐng)求者1這次將得到服務(wù)。