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一种采用双层仲裁机制的新型总线仲裁器 优先出版

发布时间:2019-07-05 03:18 来源:未知 编辑:admin

  西安电子科技大学学报(自然科学版)Feb.2017 第44 XIDIANUNIVERSITY Vol.44 No.1 收稿日期:网络出版时间: 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61474087) 作者简介:刘露(1989-),女,西安电子科技大学博士研究生,E-mail: 网络出版地址: doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2017.01.003 一种采用双层仲裁机制的新型总线仲裁器 (西安电子科技大学微电子学院,陕西 西安 710071) 摘要:随着系统芯片复杂度的持续提升,不断增加的带宽需求和不可预测的线延迟使总线逐步成为了 系统芯片性能的瓶颈;总线仲裁器对系统芯片的性能起决定作用,所以高效仲裁器的研究具有重要意 义。鉴于仲裁器赋权的决策由不依赖硬件结构的仲裁算法确定,论文创建了一种验证仲裁器性能的软 件仿真平台,并利用该仿真平台设计了一种基于双层仲裁器结构和层间判断的新型仲裁器。仿真结果 表明,新型仲裁器实际赋权的比例与目的带宽比之间的均方差比两款传统的仲裁器分别降低了54.4%和 50.8%,实现了赋权比例与目的带宽比的逼近。 关键字:系统芯片;总线;仲裁器;双层仲裁;带宽比 中图分类号:TN402 文献标识码:A 文章编号:1001-2400(2017)01-0013-07 Novel bus arbiter two-levelarbitration mechanism LIU Lu, ZHOU Xiaofeng, ZHU Zhangming, ZHOU Duan, YANG Yintang (School Microelectronics,Xidian University, Xi’an 710071, China) Abstract: continuousincrease System-on-Chip(SoC),growing demand unpredictablewire delay have made buses SoCproperties; researches efficientbus arbiters, which play decisive roles SoC,possess great significance. Granting decisions made arbitrationalgorithms which have little reliance hardwarestructures, therefore, softwaresimulation platform novelarbiter based trans-leveljudgment two-levelarbiter proposed.Simulation results show novelarbiter would reduce standarddeviation between actualgranted ratio requiredbandwidth ratio 50.8%respectively, twotraditional arbiters, indicating approximationbetween granted ratio requiredbandwidth ratio. Key words: system-on-chip (SoC); bus; arbiter; two-level arbitration; bandwidth ratio 随着集成电路的发展和社会需求的不断提升,高复杂度、高集成度的系统芯片(System-on-Chip SoC) 设计已经成为集成电路设计的主流方向之一 [1-2] 。SoC 模块之间的通信和互连需要通过总线实现,其中发起 传输的称作主模块,如微处理器和微控制器等;响应传输的称作从模块,如存储器和外围设备等。对于高 集成度SoC,当多个主模块同时申请总线以发起传输时,将形成对有限资源的竞争,这成为了影响系统性 能的重要因素 。由于SoC总线资源在同一时刻至多只能被一个模块占用,为了最大限度的合理利用资源, 各模块在使用总线时应先发出申请,得到许可后方能使用,未许可模块将继续等待;仲裁器实现的正是这 2016-05-23 17:27:26 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第44 种在竞争情形下赋权一个模块,并许可其使用总线的功能,赋权决策由相应的仲裁算法确定 。随着SoC 系统规模的不断增加,发生冲突的几率也会相应的增加,因此仲裁器的设计对于分配片上资源、提高资源 利用率和降低额外损耗等方面起到了重要作用,对系统整体性能的影响更具有决定意义 [5-6] 仲裁器的设计目标是解决竞争问题,系统要求仲裁器按照公平性及带宽比的原则,依照所需的目的带宽比赋权不同模块。仲裁器的性能主要由各模块被实际赋权的比例与目的带宽比之间的吻合程度评估,吻合 程度越高说明仲裁器性能越好,也越具备广泛适用性 [8-13]。由于仲裁器赋权的决策是由不依赖硬件结构的仲裁算法所确定的,因此论文创建了验证仲裁器的 仿真平台,该平台充分利用软件灵活、可移植性强和易于设置等优点,实现了在避免硬件资源浪费前提下 对仲裁器的检验。 根据仲裁器性能的评估指标,论文研究了常见总线仲裁器的结构和工作原理,并在验证新型仲裁器的 仿真平台上,以双层仲裁器 [11] 的结构和层间判断为基础设计了新型仲裁器,改进了双层仲裁器在验证的不 足。仿真结果表明,新型仲裁器赋权比例与目的带宽比之间的均方差比两种传统的仲裁器分别降低了54.4% 和50.8%,实现了赋权比例与目的带宽比的逼近,符合系统对仲裁器设计的公平性及带宽比要求。 总线 设计原则 总线仲裁器按照一定的仲裁算法选通竞争模块中的一个,并赋权其使用总线。仲裁器在设计中除应保 证较少的电路消耗外,还应遵循公平性及带宽比的原则,避免单个模块 “独占”总线或长期“空闲”的极 端情况,提高总线使用率,使所有模块都有使用总线的机会并尽可能的按照目的带宽比被赋权 。对于竞争普遍存在的复杂系统芯片,仲裁器的设计对片上资源的分配及系统性能的提高起着重要作用。 1.2 经典仲裁器 经典仲裁器由包含了固定优先级(Fixed Priority FP)仲裁器 、轮询(Round-RobinRR)仲裁器 [10]。FP 仲裁能够体现优先级,但易导致高优先级模块“独占”和低优先级模块“空闲”的极端情形; RR 仲裁实现了随着仲裁的进行而改变指针的轮询工作,如图1 所示,保证了公平性,但无法体现优先级。 两种仲裁器均忽略了带宽比这一重要的仲裁指标,彩票仲裁通过按照目的带宽比对各模块分配不同数目的 “彩票”弥补了这一不足,但随机抽取“彩票”的过程易影响仲裁结果,对电路的消耗也更大。 轮询仲裁器工作原理[9]1.3 综合型仲裁器 经典仲裁器在单独使用时会受到限制,系统常采用由不同经典仲裁结合而成的综合型仲裁器。综合型 仲裁器通常将FP 仲裁和RR 仲裁分别用于体现优先级和保证公平性,在需要带宽比时使用彩票仲裁。在文 献[11-15]所介绍的众多综合型仲裁器中,FP-RR 双层仲裁器 [11] 结合了两种简单仲裁的优点,并将易于操作 的指针用作层间判断,被广泛的应用在基于总线的系统芯片中:无带宽比的双层仲裁器采用响应快速的FP 刘露等:一种采用双层仲裁机制的新型总线 仲裁作为第一层,为确保公平性使用 RR 仲裁作为第二层,并将第一层 FP 仲裁所赋权的结果作为第二层 RR 仲裁的指针。为克服无法体现带宽比这一缺陷,文献[11]还借鉴了彩票仲裁的思想,对各模块按照目的 带宽比赋予不同初值的彩票(ticket)数,并在第二层按照这个初值循环RR 仲裁,设计了完整的双层仲裁器。 论文将以双层仲裁结构为基础设计新型仲裁器。 基于双层仲裁算法的新型仲裁器仲裁器赋权各竞争模块的比例与目的带宽比之间的吻合程度是衡量仲裁器性能的重要指标,在根据性 能指标验证仲裁器的过程中,文献[11]提出的双层仲裁器需要逐一判断所有模块发出的请求,仲裁过程中 面临着判断顺序的问题,会将竞争模块的优先级复杂化,影响仲裁的进行。针对这一问题,新型仲裁器借 鉴了轮询仲裁的“指针”,在双层仲裁的基础上设计了两级仲裁方案:使用无带宽比的双层仲裁器作为第一 级,得到初步的赋权结果;再以初步赋权结果为指针进入第二级仲裁,得到最终的赋权结果。为体现带宽 比,新型仲裁器在第二级使用与双层仲裁第二层相类似的结构,根据由带宽比确定的初值循环轮询仲裁, 只是进入的条件由在层间判断请求的结果改为了第一级无带宽比双层仲裁的赋权结果。由此可见,新的仲 裁算法将工作重点由 “逐个”判断请求转变为从赋权结果中“寻找”所需的请求。仲裁器处理竞争时,由 于冲突的存在,通常不止一个模块发出请求,但作为第二级仲裁指针的第一级仲裁结果是确定的,并且这 一指针同时包含了模块的请求和赋权状态。因此,新的仲裁方案省去了对冲突请求状态的逐一判断,避免 了模块间优先级顺序的复杂化,具备更强的可行性和更低的操作难度。 随着仲裁验证的进行,每轮在RR 仲裁循环结束后,被赋权第一级仲裁而作为指针的模块持有的ticket 数经循环已减为 0。在这样的情形下,由于此模块依然被第一级仲裁赋权,第二级仲裁会继续在原指针下 循环RR 仲裁的过程;但此时作为循环条件的ticket 数已减为0,循环无法进行。针对这一死循环,新型仲 裁器将在ticket 数减为0 后,重新设置将被下一轮仲裁处理的请求,选通ticket 数仍停留在初值的其他模块, 使作为第二级仲裁指针的第一级赋权结果发生改变,以避免出现某个模块持有的 ticket 数减为 后,理应终止 RR 仲裁循环,却因该模块仍在被第一级仲裁赋权,而使循环条件依然存在的矛盾情形。因此,新型 仲裁器在下一轮仲裁开始前,将在当前请求状态下置0 原先被第一级仲裁赋权的模块所发出的请求,以解 ticket数减为 而导致的第二级仲裁死循环问题。重新设置后,仲裁器将在第二级RR 仲裁循环结束 时返回第一级无带宽比的双层仲裁器,处理设置后的请求。由于初步赋权结果发生了改变,新指针下第二 级仲裁的死循环得以避免。然而,过多的置0 操作易导致空请求,降低资源的使用率及仲裁的公平性。为 避免这样的影响,可在置0 请求前检验当前状态下其余模块是否有请求发出:若存在其他非0 请求,则执 操作;若其他请求全部为0,则只需将原先需要置0的模块持有ticket 数赋回由目的带宽比所确定的 初值,重新循环RR 仲裁。在每轮仲裁循环结束后,新型仲裁器都将重复判断和置0 等操作。 综合所有改进后,新型仲裁器以两级仲裁为主体设计,其工作流程如图2 所示。新型仲裁器两级间的 判断借鉴并改进了双层仲裁器的层间判断,第一级采用无带宽比的双层仲裁器,初步赋权结果决定了第二 级仲裁的方案:若无请求被赋权,则输出FP 仲裁的赋权结果;若第i 个请求在第一级被赋权,则以赋权第 个请求的结果为指针进入循环RR仲裁的过程,每循环一次将第i 个模块所持有的ticket 数减1,表示其 使用一次总线,直至ticket 数减为0。各模块持有ticket 数的初值是由目的带宽比确定的,由此可见,第二 级仲裁是以双层仲裁器中按彩票数循环的 RR 仲裁结构为基础设计的。在 RR 仲裁循环结束后,为避免死 循环,新型仲裁器会在下一轮仲裁开始前分析此时所有请求的状态,选择置0 此轮被第一级仲裁所赋权的 个请求,或将其持有的ticket数赋回初值并重新循环RR 仲裁。新型仲裁器的级间判断“寻找”到被第 一级仲裁赋权的第i 个请求,在判断其所持有的ticket 数是否为0 之后,RR 仲裁每循环一次仲裁器都将处 理一组新的请求,不会造成信息的丢失;为防止总线的空闲,新型仲裁器添加了置0 请求等操作,但第二 级循环 RR 仲裁的次数依然是由 ticket 数初值决定的,所有模块仍按照目的带宽比被赋权。因此,建立在 两级仲裁基础上的新方案不仅确保了新型仲裁器的可行性,且不会对仲裁结果的公平性和带宽比造成影响; 16 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第44 而验证过程中更低的操作难度及仲裁工作的合理化将使新型仲裁器的性能得到保证。 验证结果及分析3.1 仿真平台 论文根据软件设计和使用灵活、易于设置、数据和运算资源丰富等特点,以及仲裁实现过程中对循环、 分支和状态判断的频繁使用,在Visual Studio 编译环境下创建验证了仲裁器的仿真平台。仿真平台用含有 冲突状态的多位布尔型数据变量定义请求,位的数量与同时申请总线的模块数相同,位的编号对应着模块 的编号。同理,仲裁结果也用变量定义,赋权变量的布尔型数据位数与请求变量相同,每一位表示对应编 号的请求是否被赋权。由于同一时刻至多只有一个请求被赋权,因此赋权变量至多只有一位数据为 余均为0。在变量定义的基础上,仲裁算法通过函数实现,请求变量和赋权变量可分别看作仲裁函数的输 入和输出,目的带宽比也在仲裁函数中设置。因此,验证仲裁器的仿真平台主要由请求变量、仲裁函数和 赋权变量组成。为实现验证赋权各模块的多次仲裁,所有待处理的请求以数组形式定义,每进行一次仲裁 对应数组的一个元素,代表不同模块的数据位在请求变量数组中值的分布体现了请求比例。 3.2 结果分析 根据系统芯片竞争机制的特点,论文以4 模块竞争总线为例在仿真平台上验证仲裁器赋权各模块的比 例及其与目的带宽比之间的吻合程度,以此检验仲裁器的性能。验证仲裁器的仿真平台可输出仲裁器对不 同模块赋权的百分比,这些百分比将体现仲裁器赋权的比例。表1 中列举了当仿线模块目 仲裁器对多个模块的赋权百分比(目的带宽比3:2:2:1)仲裁器 请求比例 赋权百分比 经典彩票仲裁器1:1:1:1 0.35 0.24 0.26 0.15 4:3:2:1 0.40 0.27 0.22 0.11 自适应附加权仲裁器 1:1:1:1 0.34 0.28 0.25 0.13 4:3:2:1 0.42 0.28 0.17 0.13 新型仲裁器 1:1:1:1 0.37 0.26 0.25 0.12 4:3:2:1 0.40 0.25 0.22 0.13 的带宽比分别设置为 3:2:2:1 4:3:2:1时,仲裁器赋权各模块的百分比。其中,A、B、C、D 分别代表优 刘露等:一种采用双层仲裁机制的新型总线 个模块,它们发出请求的比例分别设置为理想化的1:1:1:1和常用且易于控制的4:3:2:1, 以仿真仲裁器不同的工作环境 [11,12] 。在验证新型仲裁器时,经典彩票仲裁器 [10] 和自适应附加权重仲裁器 [12] 被用作对照,对不同仲裁器赋权百分比的分析可验证新型仲裁器实际赋权比例逼近目的带宽比的程度。 仲裁器对多个模块的赋权百分比(目的带宽比4:3:2:1)仲裁器 请求比例 赋权百分比 经典彩票仲裁器1:1:1:1 0.38 0.27 0.15 0.10 4:3:2:1 0.43 0.28 0.17 0.12 自适应附加权仲裁器 1:1:1:1 0.38 0.30 0.20 0.12 4:3:2:1 0.45 0.27 0.17 0.11 新型仲裁器 1:1:1:1 0.40 0.30 0.20 0.10 4:3:2:1 0.43 0.29 0.18 0.10 中列举的赋权百分比可以看出,新型仲裁器赋权各模块百分比之间的比例与目的带宽比最为接近。均方差是表示一组数据偏离均值程度的参数,在此可将目的带宽比视作均值,求得实际赋权比 例与目的带宽比之间的均方差,用于评估两者间的吻合程度,即评估仲裁器的性能。其中,实际赋权比例 可看作仲裁器赋权后的带宽比,将由表1 中列举的赋权百分比得到:若共有N个模块参与竞争,对 其中第i 个模块,将目的带宽比记作R ,实际赋权的百分比记作rti 。计算所有模块被赋权的比例时,需要 选择第j 个模块作为基准,将以第j 个模块为基准时第i 个模块被实际赋权的比例记作r ij ,基准模块的目的 带宽比被直接用作赋权后自身的比例,根据赋权后百分比与带宽比在模块间成比例的规律: 可由(1)计算出将第j个模块为基准时,第i 个模块被仲裁器实际赋权的比例,记作r ij ij,可计算出仲裁器赋权各模块比例与目的带宽比之间的均方差:对于确定的基准 的所有值,对rij 与对应的R 做差取平方求和,可由(2)得到以第j个模块 为基准时,仲裁器实际赋权比例与目的带宽比之间的均方差,记作σ 的所有值,取其中最小的σ 记作仲裁器均方差,用σarb 表示,作为表示仲裁器实际赋权各模块比例与目的带宽比之 间吻合程度的参数,σ arb 由(3)得到: arb=min(σ 仲裁器赋权多模块的实际比例及仲裁器均方差(目的带宽比3:2:2:1)仲裁器 请求比例 实际比例 经典彩票仲裁器1:1:1:1 2.92 2.161.25 0.1537 4:3:2:1 2.96 1.630.82 0.2067 自适应附加权仲裁器 1:1:1:1 2.72 2.24 1.040.1855 4:3:2:1 1.220.93 0.1154 新型仲裁器 1:1:1:1 2.96 2.08 0.960.0490 4:3:2:1 3.2 1.761.04 0.1576 18 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第44 其中,使σ ij被定义为仲裁器赋权的实际比例,记作 中列举。均方差越小表示实际比例越接近目的带宽比,从表3 中列举的均方差可以看出新型仲裁器的仲裁器均方差是最小的。为检验新型仲裁器的性能,表 差分别记作σarb1 arb2,对不同工作环境下的仲裁器均方差求平均值,作为评估仲裁器实际赋权比例与目 的带宽比之间吻合程度的最终指标,记作仲裁器平均均方差,用σ arb 表示。 仲裁器赋权多模块的实际比例及仲裁器均方差(目的带宽比4:3:2:1)仲裁器 请求比例 实际比例 经典彩票仲裁器1:1:1:1 4.2 2.781.11 0.1551 4:3:2:1 2.61.58 1.12 0.3475 自适应附加权仲裁器 1:1:1:1 3.8 1.20.1414 4:3:2:1 4.09 2.45 1.55 0.3581新型仲裁器 1:1:1:1 4:3:2:14.3 2.9 1.8 不同工作环境下的仲裁器平均均方差仲裁器 请求比例 arb经典彩票仲裁器 1:1:1:1 0.1537 0.1551 0.2158 4:3:2:1 0.2067 0.3475 自适应附加权仲裁器 1:1:1:1 0.1855 0.1414 0.2001 4:3:2:1 0.1154 0.3581 新型仲裁器 1:1:1:1 0.0490 0.1576 0.0984 4:3:2:1 中的结果可以看出,新型仲裁器的平均均方差为0.0984,比作为对照的经典彩票仲裁器(0.2158)和自适应附加权仲裁器(0.2001)分别降低了54.4%和50.8%,赋权比例与目的带宽比之间的吻合程度有了较 大提高。 总结仲裁器设计对高复杂度系统芯片的性能具有决定性的作用,论文利用软件灵活、易于设置的优点创建 验证仲裁器的仿真平台,在此平台上验证提出了新型仲裁器。新型仲裁器采用以双层仲裁的结构和层间判 断为基础的两级仲裁。仿真结果表明,新型仲裁器实际赋权各模块的比例与目的带宽比之间的均方差比作 为对照的两款传统仲裁器分别下降了 54.4%和 50.8%,说明新型仲裁器实现了赋权比例与目的带宽比的逼 近,符合系统对仲裁器公平性及带宽比的要求。 参考文献: MulticoreMicrocontrollers EmbeddedPID Control: DetailedStudy[J]. 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