一種基于多層總線的動(dòng)態(tài)分配仲裁器設(shè)計(jì)

季永康

（上海交通大學(xué)，上海200240）

0 引言

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，片上系統(tǒng)（SoC）中的功能單元越來越多，片內(nèi)功能單元之間的數(shù)據(jù)通信需求也隨之增長。片上系統(tǒng)功能單元之間的通信主要依賴于總線結(jié)構(gòu)，由于各個(gè)功能單元、存儲(chǔ)設(shè)備以及I/O 設(shè)備之間的通信需求大幅度增加，現(xiàn)有的總線共享技術(shù)[1-2]不足以滿足片上高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，?huì)產(chǎn)生總線爭用問題，多個(gè)功能單元對總線的爭用[3]成為當(dāng)前片上高速通信研究的關(guān)鍵。目前解決片上總線爭用問題的方法主要有：采用多層總線[4-5]和設(shè)計(jì)合理的仲裁器[6-7]。

總線爭用的問題是由于任何時(shí)刻總線上只允許兩個(gè)功能單元占用總線資源引起的，因此可以采用多層總線來解決不同功能單元對總線的爭用。由于多層總線會(huì)大量占用片上布線資源，導(dǎo)致芯片面積多大，因此片上多層總線的數(shù)目不宜過多，一般以2～3 層為宜。目前的片上總線（例如AXI、AHB、APB 等）中，傳輸速率高的總線資源開銷更大，因此多層總線中一般會(huì)設(shè)置傳輸速率不同的總線，可以在滿足不同功能單元通信的同時(shí)兼顧片上資源開銷。綜上所示，本文針對傳輸速率不同的兩層總線進(jìn)行仲裁研究。

合理的總線仲裁可以在總線帶寬不變的前提下，滿足多對主從模塊在當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)的通信需求。本文基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法和多層總線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種總線仲裁器，根據(jù)各個(gè)功能單元請求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和不同總線的數(shù)據(jù)傳輸速率，動(dòng)態(tài)地分配各個(gè)傳輸過程所使用總線通道。為了驗(yàn)證本文提出的總線仲裁器，本文開發(fā)了一個(gè)C++的高層次仿真模型，模擬多個(gè)功能單元的數(shù)據(jù)傳輸請求在不同時(shí)刻分組向仲裁器發(fā)起傳輸請求，驗(yàn)證了該總線仲裁器對總線傳輸?shù)男阅芴嵘?/p>

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)模型

在現(xiàn)有的多層總線系統(tǒng)中，不同傳輸速率的總線用于不同帶寬需求的數(shù)據(jù)傳輸，按照傳統(tǒng)的靜態(tài)總線分配方法：快速總線用于傳輸帶寬需求高的連續(xù)大批量數(shù)據(jù)，慢速總線用于傳輸帶寬需求較低的控制信號(hào)。靜態(tài)總線分配方法簡單，不需要復(fù)雜的控制邏輯，但是在圖像處理或視頻處理的應(yīng)用中，非連續(xù)的、小批量的控制信號(hào)較少，而連續(xù)的、大批量的數(shù)據(jù)很多。如果僅按照上述靜態(tài)總線分配方法對總線資源進(jìn)行分配，則可能存在大量數(shù)據(jù)通過快速總線傳輸，而通過慢速總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很少，在此狀態(tài)下，快速總線持續(xù)處于忙碌狀態(tài)，而慢速總線幾乎處于空閑狀態(tài)，浪費(fèi)了慢速總線的帶寬。為此，本文設(shè)計(jì)了一種采用動(dòng)態(tài)分配方法的仲裁機(jī)制。

圖1 動(dòng)態(tài)分配的仲裁模塊圖

如圖1 所示，在傳輸速率不同的雙層總線系統(tǒng)中，仲裁器根據(jù)當(dāng)前總線的負(fù)載狀態(tài)以及等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小，在盡可能趨向總線負(fù)載平衡的條件下分配快慢兩種總線資源，減少總線空閑造成的帶寬浪費(fèi)。本設(shè)計(jì)把每個(gè)功能單元的一次傳輸請求作為一個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)量是已知的。在某時(shí)刻，來自不同功能單元的傳輸請求到達(dá)仲裁器，仲裁器根據(jù)各個(gè)功能單元請求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和快慢兩種總線的帶寬，分別預(yù)測出兩種總線分別完成各個(gè)傳輸請求的時(shí)間，在時(shí)間尺度上衡量總線的繁忙度，并根據(jù)下文介紹的動(dòng)態(tài)規(guī)劃的算法，找出完成所有傳輸用時(shí)最少的方案。

1.2 算法實(shí)現(xiàn)

（1）問題抽象

假設(shè)雙層總線滿負(fù)荷工作，新到達(dá)的數(shù)據(jù)傳輸請求需要等待前面的傳輸釋放總線資源，等待時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有新的請求到達(dá)仲裁器，仲裁器會(huì)截?cái)嗖⒈４娴却齻鬏數(shù)恼埱螅虼丝梢钥醋雒扛粢欢螘r(shí)間有n 個(gè)數(shù)據(jù)傳輸請求到達(dá)仲裁器。設(shè)快速總線的傳輸速率是慢速總線傳輸速率的k 倍，用變量t 表示傳輸時(shí)間。對所有的傳輸對應(yīng)的慢速總線傳輸時(shí)間做排序獲得集合T1，集合T1={t1，t2，t3，…，tn}中的元素按照由大到小的順序書寫；對所有的傳輸對應(yīng)的快速總線傳輸時(shí)間做排序獲得集合T2，集合T2={t1/k，t2/k，t3/k，……，tn/k}中的元素同樣按照由大到小的順序書寫。最終將問題抽象成求解完成所有傳輸最小時(shí)間。

（2）算法代入

上述求最小時(shí)間問題可以使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法求解，動(dòng)態(tài)規(guī)劃是通過拆分問題，定義問題狀態(tài)和狀態(tài)之間的關(guān)系，使問題能夠以遞推的方式去解決。上述問題中，對快慢兩種總線進(jìn)行分組，考慮到將大數(shù)據(jù)包放在快速傳輸總線上更容易減少總傳輸時(shí)間，因此可以把上述問題轉(zhuǎn)化為首先將所有元素放到從慢速組中，從中找出傳輸時(shí)間最大的元素，并將其慢速組中剔除后放入快速組中。如表1 所示，不斷重復(fù)這一過程，直到快速組和慢速組的傳輸時(shí)間相近，達(dá)到負(fù)載均衡。

表1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃問題迭代

計(jì)算每次分組（0 ≤i ≤n）的慢速組傳輸時(shí)間Tsum1（i）和快速組傳輸時(shí)間Tsum2（i），當(dāng)首次出現(xiàn)Tsum2（i）≥Tsum1（i）時(shí)，此時(shí)就是所求的最小傳輸時(shí)間分配方案。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文提出的總線仲裁機(jī)制，本文開發(fā)了一個(gè)C++的高層次仿真模型，模擬多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸請求在不同時(shí)刻分組向達(dá)仲裁器發(fā)起傳輸請求，且在同一時(shí)刻某組中可能存在多個(gè)請求。為了與靜態(tài)總線分配方案作對比，本文以靜態(tài)總線分配方案為基準(zhǔn)，將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為兩類：一類是適合于快速總線的連續(xù)大批量數(shù)據(jù)，稱為快速包；另一類是適合于慢速總線的小批量的數(shù)據(jù)，稱為慢速總包?？焖倏偩€的傳輸速率是慢速總線的3 倍，需要傳輸?shù)目傉埱蟀鼣?shù)目為data?PackNum，快速包數(shù)和慢速包數(shù)的比例為FSR，快速包的大小dataPackSize1 范圍是10000～100000，慢速包的大小dataPackSize2 范圍是500～5000。為了評估在系統(tǒng)仲裁機(jī)制的作用下，靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配完成所有傳輸?shù)臅r(shí)間對比，將動(dòng)態(tài)分配相對于靜態(tài)分配時(shí)間減少的百分比記作Opt_ratio，簡稱時(shí)間減少百分比。各變量具體定義及符號(hào)表示如表2 所示。

表2 變量

控制其他變量不變，研究總請求數(shù)據(jù)包數(shù)data?PackNum 和時(shí)間減少百分比Opt_ratio 的關(guān)系，，模擬仲裁器的工作過程，比較動(dòng)態(tài)總線分配相對于靜態(tài)總線分配節(jié)省的時(shí)間。如圖2 所示，時(shí)間減少百分比Opt_ratio，隨著總數(shù)據(jù)包數(shù)目的增長，先升高后降低，在dataPackNum 為50 左右時(shí)達(dá)到峰值，最大值為27.83%。當(dāng)dataPackNum 在40～100 范圍之間，動(dòng)態(tài)分配的仲裁器作用明顯提升，可以提升25%左右。

圖2 dataPackNum對總傳輸時(shí)間的影響

控制其他變量不變，研究快慢數(shù)據(jù)包比例FSR 和時(shí)間減少百分比Opt_ratio 的關(guān)系。圖3 顯示的是在總請求包數(shù)目為50 的條件下，快速包和慢速包之比FSR對時(shí)間減少百分比Opt_ratio 的影響。當(dāng)FSR 小于3，也就是快速包的比例較少時(shí)，時(shí)間減少百分比Opt_ra?tio 在25%以下，且隨著FSR 的增長迅速提升；當(dāng)FSR大于3 時(shí)，時(shí)間減少百分比Opt_ratio 均基本保持穩(wěn)定，維持在25%以上。

表3 反映了總請求數(shù)據(jù)包dataPackNum 為60，快慢數(shù)據(jù)包之比FSR 為4 的條件下，在某時(shí)刻請求傳輸?shù)哪辰M數(shù)據(jù)包中，慢速包和快速包的數(shù)目取值范圍對動(dòng)態(tài)分配時(shí)間和靜態(tài)分配時(shí)間的影響。用系統(tǒng)工作的周期數(shù)（cycles）來表示時(shí)間長短，當(dāng)每次到達(dá)的快速包的取值范圍越大，也就是每次可能有更多的快速包到達(dá)仲裁器時(shí)，動(dòng)態(tài)分配相對于靜態(tài)分配時(shí)間減少百分比越大。可以看出快速數(shù)據(jù)包越多，動(dòng)態(tài)分配在減少總傳輸時(shí)間方面更具優(yōu)勢。

圖3 快速包和慢速包之比對總傳輸時(shí)間的影響

表3 每組請求快速包和慢速包的數(shù)目取值對總傳輸時(shí)間的影響

3 結(jié)語

本文針對多層總線中靜態(tài)總線分配的現(xiàn)狀，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法設(shè)計(jì)了一種總線仲裁器，根據(jù)數(shù)據(jù)包大小和不同總線傳輸速率，動(dòng)態(tài)分配各個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸所用的總線通道。本文設(shè)計(jì)了C++仿真器，模擬了多個(gè)功能單元在不同時(shí)刻向達(dá)仲裁器發(fā)起傳輸請求，并由仲裁模塊分配傳輸總線類型的過程。證明了在數(shù)據(jù)包總數(shù)在40～100 范圍之間時(shí)，動(dòng)態(tài)分配的仲裁器作用明顯，可以提升25%左右，且快速數(shù)據(jù)包越多，動(dòng)態(tài)分配在減少總傳輸時(shí)間方面更具優(yōu)勢。