摘要：本文詳細(xì)介紹了OPB總線仲裁器的信號(hào)和仲裁機(jī)理。在QuartusII8.0平臺(tái)上,分別用固定優(yōu)先級(jí)算法和LRU算法,用硬件描述語言(verilog HDL)對(duì)OPB總線仲裁器進(jìn)行了RTL硬件建模。并用FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn),并比較了仿真結(jié)果和綜合結(jié)果,兩種算法都通過了RTL和網(wǎng)表之間的形式驗(yàn)證。

0 引言

隨著 SOC 設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，為了使IP 核集成更快速、更方便，縮短進(jìn)入市場的時(shí)間， 迫切需要一種標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)方案。CoreConnect 正是在這一背景下為SOC 設(shè)計(jì)的總線架構(gòu)。按 照數(shù)據(jù)訪問速度它可分為三層總線，分別是處理器內(nèi)部總線PLB(Processor Local Bus)、片上 外圍總線OPB（On-ChipPeripheral Bus）和設(shè)備控制總線DCR（Device Control Register）。 OPB 總線是為UART、GPIO 等慢數(shù)據(jù)率設(shè)備提供接口的總線。由于集成到總線中的功能模 塊越來越多,對(duì)于共享總線系統(tǒng),片上仲裁是使得各個(gè)模塊有效運(yùn)作的必要手段。目前關(guān)于 OPB 總線仲裁器這方面的研究報(bào)道較少，為了探尋在不同的系統(tǒng)負(fù)載和系統(tǒng)應(yīng)用下選擇最 佳的OPB 總線仲裁方案，本文基于固定優(yōu)先級(jí)和LRU 兩種算法，利用自頂向下的設(shè)計(jì)方法， 設(shè)計(jì)了OPB 總線的仲裁器，并對(duì)其綜合結(jié)果做了比較。

1 OPB 總線仲裁機(jī)制

OPB 總線支持32 位數(shù)據(jù)/地址位寬，讀和寫數(shù)據(jù)總線分開，支持重試模式，支持突發(fā) （burst）傳輸模式，支持DMA，檢測總線超時(shí)功能，支持多個(gè)主設(shè)備的仲裁。OPB 總線的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：主設(shè)備（Master），從設(shè)備（Slave）和總線邏輯。信號(hào)命名有三種： Mn_打頭的，是Master 的輸出；Sln_打頭的，是Slave 的輸出；OPB_打頭的，是總線邏輯 的輸入或輸出。OPB 總線允許有多個(gè)master,當(dāng)這幾個(gè)master 同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求要求使用總線時(shí)， 就必須對(duì)他們的請(qǐng)求進(jìn)行仲裁，并確定他們使用總線的優(yōu)先級(jí)，這就是仲裁器的作用。OPB 總線仲裁器的輸入輸出信號(hào)如圖1 所示。

SYSCLK 和RESET 為OPB 總線的系統(tǒng)時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)。Mn_REQUEST 為4 個(gè)master 的請(qǐng)求信號(hào)，OPB_MnGRANT 為仲裁器發(fā)出的授權(quán)信號(hào)，OPB_SELECT 是master 收到授 權(quán)信號(hào)后發(fā)出的占用總線信號(hào)，OPB_ABUS 為地址總線，OPB_DBUS 為數(shù)據(jù)總線， OPB_XFERACK 為slave 數(shù)據(jù)傳輸完的響應(yīng)，OPB_RNW 是讀寫使能信號(hào)，OPB_BUSLOCK 是master 鎖定對(duì)總線使用權(quán)的信號(hào)，ARB_DBUS 和ARB_DBUSEN 是仲裁器的數(shù)據(jù)總線和 使能信號(hào)，ARB_XFERACK 是仲裁器傳輸數(shù)據(jù)完成的響應(yīng)信號(hào)。OPB_TOUTSUP 是slave 超時(shí)禁止的信號(hào)，OPB_TIMEOUT 是總線超時(shí)信號(hào)。

仲裁過程說明如下：

Master 首先發(fā)出Mn_REQUEST 信號(hào)申請(qǐng)占用總線，仲裁器根據(jù)總線占用情況和優(yōu)先權(quán) 算法發(fā)出OPB_MnGRANT 信號(hào)，得到最高優(yōu)先權(quán)的master 拉高M(jìn)n_SELECT 信號(hào)，其他 master 把這個(gè)信號(hào)置低，這4 個(gè)select 信號(hào)通過或邏輯形成OPB_SELECT 信號(hào)輸入給仲裁 器。

同時(shí)發(fā)送地址 Mn_ABUS，也是通過或邏輯轉(zhuǎn)變成OPB_ABUS 輸入給仲裁器。OPB 總 線有多個(gè)slave 設(shè)備，每個(gè)slave 都有自己的地址空間值，Master 發(fā)送的Mn_ABUS 正是包 含了他所要使用的slave 的地址值，slave 會(huì)對(duì)值進(jìn)行比較，如果相等，master 就可以對(duì)slave 進(jìn)行讀寫操作。

讀操作時(shí)，master 拉高OPB_RNW，仲裁器拉高ARB_DBUSEN,并通過ARB_DBUS 輸 出數(shù)據(jù)。寫操作時(shí)，master 拉低OPB_RNW,通過OPB_DBUS 輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)有效數(shù)據(jù)傳輸完 成后，仲裁器會(huì)拉高ARB_XFERACK 信號(hào)響應(yīng)。Master 在收到響應(yīng)后，會(huì)拉低Mn_SELECT 信號(hào)，結(jié)束此次總線事務(wù)。

2 OPB 總線仲裁器的設(shè)計(jì)

采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)分成4 個(gè)模塊，分別為優(yōu)先級(jí)邏輯模塊，仲裁模 塊，看門狗超時(shí)模塊和鎖定/?？磕K。原理圖如圖2 所示。

圖2 仲裁器設(shè)計(jì)原理圖

1） 優(yōu)先級(jí)邏輯模塊

這個(gè)模塊采用兩種不同的算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別是LRU(Least Recently Used)算法和固定 優(yōu)先級(jí)算法[1]。

a) LRU 算法

LRU 算法就是根據(jù)master 的編號(hào)循環(huán)得到優(yōu)先級(jí)，保證每個(gè)設(shè)備都有機(jī)會(huì)獲得總線。我 們?cè)O(shè)計(jì)的是最多支持4 個(gè)master 的仲裁器，所以采用一個(gè)8 位的寄存器，用來存放4 個(gè)master 的二進(jìn)制編號(hào)。每個(gè)周期都要更新這個(gè)寄存器值，將得到最高優(yōu)先級(jí)的master 編號(hào)放到最 低優(yōu)先級(jí)，其他3 個(gè)master 編號(hào)各進(jìn)一級(jí)。用這種算法設(shè)計(jì)的仲裁器的仿真結(jié)果如圖3。

其中 ARB_DBUS 讀出來的數(shù)據(jù)正是寄存器中保存的master 編號(hào)，優(yōu)先級(jí)從高位到低位 遞減。00，01，10，11 代表master 的編號(hào)0，1，2，3。當(dāng)4 個(gè)master 同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，第 一個(gè)時(shí)鐘周期將優(yōu)先級(jí)授權(quán)給master0,第二個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，master0 的優(yōu)先級(jí)降為最低，其 他三個(gè)優(yōu)先級(jí)遞進(jìn)，所以此時(shí)授權(quán)給master1。后面的周期依次循環(huán)，4 個(gè)master 將輪流獲 得授權(quán)。

b) 固定優(yōu)先級(jí)算法

固定優(yōu)先級(jí)算法將 4 個(gè)master 的優(yōu)先級(jí)按順序固定下來，不會(huì)改變[2]。這種算法設(shè)計(jì)更 簡單，不需要每周期對(duì)master 的優(yōu)先級(jí)更新。設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先級(jí)寄存器中的值只在總線執(zhí)行寫 操作和復(fù)位時(shí)才會(huì)改變，平時(shí)固定不變。仿真結(jié)果見圖4。

ARB_DBUS 是寫入的4 個(gè)master 的優(yōu)先級(jí)順序，master0 為最高，master3 最低。當(dāng)4 個(gè)master 同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，授權(quán)給master0；當(dāng)master0 不發(fā)出請(qǐng)求，其他三個(gè)master 發(fā)出 請(qǐng)求時(shí)，則根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序，授權(quán)給master1;依此類推。

2）仲裁邏輯模塊

從優(yōu)先級(jí)邏輯模塊得到的優(yōu)先級(jí)寄存器信號(hào)，將被輸入到仲裁邏輯模塊。用以對(duì)4 個(gè) master 的Mn_REQUEST 請(qǐng)求信號(hào)排序，然后優(yōu)先級(jí)從高到低排序的master 中，第一個(gè)拉高 請(qǐng)求信號(hào)的master 將被授權(quán)占用總線。仲裁邏輯模塊輸出的授權(quán)信號(hào)是最原始的，這個(gè)信 號(hào)還要經(jīng)過鎖定/?？窟壿嬆K處理才能得到最終的授權(quán)信號(hào)（OPB_MnGRANT）。

3） 看門狗超時(shí)邏輯模塊

看門狗邏輯用來監(jiān)控OPB 的控制信號(hào)，當(dāng)master 在16 個(gè)時(shí)鐘中期內(nèi)沒有能夠收到slave的響應(yīng)信號(hào)（ OPB_XFERACK ） 和超時(shí)禁止信號(hào)（ OPB_TOUTSUP ）， 將會(huì)拉高 OPB_TIMEOUT 超時(shí)信號(hào)[3]。這部分的設(shè)計(jì)采用一個(gè)4 位計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行記數(shù)。

4） 鎖定/?？窟壿嬆K

優(yōu)先級(jí)鎖定是得到最高優(yōu)先級(jí)的master 同時(shí)拉高OPB_BUSLOCK 信號(hào)，這樣在這個(gè)信 號(hào)被置低之前，這個(gè)master 將始終得到總線的占用權(quán)，仲裁邏輯將不啟用。此時(shí)不管master 是否發(fā)送請(qǐng)求，都不會(huì)對(duì)仲裁產(chǎn)生影響。優(yōu)先級(jí)的鎖定是通過將仲裁邏輯得到的原始優(yōu)先級(jí) 信號(hào)和OPB_BUSLOCK 信號(hào)相與后產(chǎn)生的。優(yōu)先級(jí)?？渴钱?dāng)沒有新的master 發(fā)出請(qǐng)求信號(hào) 時(shí)，總線繼續(xù)授權(quán)給當(dāng)前占用總線的master。這里設(shè)計(jì)了一個(gè)四位寄存器用來追蹤最近占用 總線的master 編號(hào)。

最后，通過altera 公司的CycloneII FPGA 對(duì)兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合[4]，并對(duì)綜合結(jié)果進(jìn)行比 較。并采用cadence 公司的conformal 進(jìn)行RTL 代碼和網(wǎng)表之間的形式驗(yàn)證。表1 為綜合 和形式驗(yàn)證結(jié)果。

得出的結(jié)論是：固定優(yōu)先級(jí)算法設(shè)計(jì)簡單，占用資源少，可以達(dá)到較高的應(yīng)用頻率。但 這種算法使優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備占著總線不放，當(dāng)總線事務(wù)繁忙時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的設(shè)備將申請(qǐng)不到 總線，所以只適用于總線使用率低，負(fù)載低的應(yīng)用。而LRU 算法雖然更占資源，頻率也低 點(diǎn)，但這種算法授權(quán)更加公平，使所有設(shè)備都有機(jī)會(huì)申請(qǐng)到總線，適用于總線使用率高，負(fù) 載高的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì) OPB 總線仲裁器兩種算法的研究，比較了兩種算法的性能優(yōu)劣并得出結(jié)論， 固定優(yōu)先級(jí)算法設(shè)計(jì)簡單，占用資源少，可以達(dá)到較高的應(yīng)用頻率，能夠保證主要處理器的 運(yùn)行速度，但缺乏公平性；LRU 算法更占資源，頻率較低，但具有公平性，適用于總線使 用率高，負(fù)載高的應(yīng)用。對(duì)不同的總線負(fù)載和使用率情況下選擇最佳的OPB 總線仲裁方案 提供了依據(jù)，對(duì)高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嵌入式應(yīng)用有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。