VHDL仲裁器開源分享

描述

什么是仲裁員？

仲裁器是硬件設(shè)計中非常常用的塊。

我想我可以在家里找到仲裁者的最好例子。當我的兩個孩子十幾歲時，我只有一輛車。在周五和周六晚上，通常會因為誰可以使用汽車而發(fā)生沖突。通常，由我來決定（仲裁者）誰得到了這輛車。這不是一件容易的事。（我仍然只有一輛車，正好我的孩子都不是十幾歲了，贊美主，他們有自己的車）。

硬件板沒有什么不同。至少在兩種情況下，多個用戶“需要”共享（且有價值且昂貴）的資源：

• 公共內(nèi)存：在處理器和 FPGA 之間共享快速內(nèi)存（即 DDR）的電路板是很常見的。顯然，記憶不能同時回答兩個高手。處理器和 FPGA 向仲裁器請求訪問內(nèi)存的權(quán)限。即使它以非常高的速度同時完成，對于我們的感知，實際上，F(xiàn)PGA 和處理器必須輪流擁有內(nèi)存。注意：這只是一個簡單的示例，因為還有許多其他應(yīng)用程序甚至超過兩個“智能”設(shè)備（處理器、DSP、GPU、FPGA、ASIC）輪流訪問公共內(nèi)存。
• 公共總線：很多時候多個主機（和從機）通過公共總線進行通信。從電氣角度來說，總線非常簡單。它只不過是一組銅連接或電線（有時帶有總線驅(qū)動器）。但是總線所有權(quán)很重要，因為兩個主機不可能同時擁有總線（多主機總線的示例：I2C、PCI）。如果兩個主機試圖同時“交談”，就會發(fā)生沖突，總線上的數(shù)據(jù)就會被破壞。

仲裁者是硬件的一部分，它決定誰可以在任何給定時間使用公共的、有價值的資源。然而，與足球仲裁器不同的是，VHDL 仲裁器永遠不會將其中一個設(shè)備從“游戲”中移除（好吧......幾乎永遠不會。在某些情況下，硬件仲裁器會決定一個設(shè)備表現(xiàn)不佳并決定將其從“游戲”中移除一個例子是可插拔卡訪問公共總線，可以在關(guān)鍵時刻拔掉，如果仲裁器沒有識別出故障，總線可能會卡在 - 現(xiàn)在丟失的 - 設(shè)備上）。

仲裁器從其客戶端接收兩種類型的信號：

• 請求：由想要擁有公共資源的每個設(shè)備聲明。可以同時斷言許多請求信號，就像許多設(shè)備請求擁有公共資源的許可一樣。另一方面，可以只有一個，甚至沒有斷言的請求信號。后者是在特定時刻沒有人需要共享資源的情況。
• Grant：由仲裁器斷言，每個master有一個grant信號。通常，在任何給定時間都只會斷言一個授權(quán)信號。

第一次實現(xiàn) - 固定大小，固定優(yōu)先級

我們將分析的第一個仲裁器具有三個請求輸入和三個授權(quán)輸出。它也有一個固定的主人優(yōu)先權(quán)。master 編號越低，其優(yōu)先級越高。該塊也有忙信號。總線仲裁僅在其處于非活動狀態(tài)時進行。如果總線已經(jīng)被授權(quán)給代理，即使更高優(yōu)先級的主機請求總線，當前事務(wù)也必須在仲裁器將總線授權(quán)給另一個主機之前完成。

生成授權(quán)信號的邏輯（在進程arbiter_pr上）非常簡單。如果第一個主控（主控 0）斷言請求，則它被授予授權(quán)。只有當主控 1 請求總線而主控 0 不請求總線時，它才會獲得授權(quán)。只有當主控 2 請求總線并且主控 0 和主控 1 都沒有請求總線時，它才會被授予授權(quán)。

gnt信號只有在總線不忙時才會改變。進程busy_pr和相關(guān)邏輯檢測忙信號的下降沿。在 busy 變?yōu)榈碗娖胶?，所有授?quán)信號都被取消斷言一個時鐘，然后選擇下一個總線主機的邏輯被激活。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

entity arbiter is
  port (
    clk  : in  std_logic;
    rst  : in  std_logic;

    -- inputs
    req  : in  std_logic_vector(2 downto 0);
    busy : in  std_logic;

    -- outputs
    gnt  : out std_logic_vector(2 downto 0)
  );
end arbiter;

architecture rtl of arbiter is
  signal busy_d : std_logic := '0';
  signal busy_fe : std_logic;

begin
  busy_pr : process (clk)
  begin
    if (rising_edge(clk)) then
      busy_d <= busy;
    end if;
  end process busy_pr;

  -- Falling edge of busy signal
  busy_fe <= '1' when busy = '0' and busy_d = '1' else '0';

  arbiter_pr : process (clk, rst)
  begin
    if (rst = '1') then
      gnt <= (others => '0');
    elsif (rising_edge(clk)) then
      if (busy_fe = '1') then
        gnt <= (others => '0');
      elsif (busy = '0') then
        gnt(0) <= req(0);
        gnt(1) <= req(1) and not req(0);
        gnt(2) <= req(2) and not (req(0) or req(1));
      end if;
    end if;
  end process arbiter_pr;

end rtl;

gnt信號只有在總線不忙時才會改變。進程busy_pr和相關(guān)邏輯檢測忙信號的下降沿。在 busy 變?yōu)榈碗娖胶?，所有授?quán)信號都被取消斷言一個時鐘，然后選擇下一個總線主機的邏輯被激活。

?

復(fù)位釋放后，沒有未完成的請求，因此仲裁器也不會斷言任何授權(quán)信號。稍后在模擬中，多個主機請求仲裁器的許可（請求已斷言）并根據(jù)其優(yōu)先級獲得授權(quán)。

在 300 到 400ns 之間，主機“1”斷言其請求信號。兩個時鐘周期后，來自主機“0”的請求被置位。因此，即使 master '0' 稍后到達，當仲裁器可以自由分配總線時，它也會將其分配給 master '0'。

請注意，在gnt信號之間始終有一個“休息”時鐘。每個主機使用總線四個時鐘并放棄總線（這可以在忙信號的持續(xù)時間內(nèi)看到）。

稍后，主機“2”和“0”都請求總線，正如預(yù)期的那樣，總線被授予主機“0”。

GitHub 上提供了仲裁器“簡單實現(xiàn)”、測試平臺和 Modelsim 文件的 VHDL 源代碼

第二種實現(xiàn)——可變大小，固定優(yōu)先級

上述仲裁器的邏輯是固定大小的。通過一些更改，并通過使用不受約束的端口（查看req和gnt端口），我們可以制作一個通用仲裁器，其大小可以在實現(xiàn)時決定。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

entity arbiter_unc is
  port (
    clk  : in  std_logic;
    rst  : in  std_logic;

    -- inputs
    req  : in  std_logic_vector;
    busy : in  std_logic;

    -- outputs
    gnt  : out std_logic_vector
  );
end arbiter_unc;

architecture rtl of arbiter_unc is
  signal busy_d : std_logic;
  signal busy_fe : std_logic;

begin
  busy_pr : process (clk)
  begin
    if (rising_edge(clk)) then
      busy_d <= busy;
    end if;
  end process busy_pr;

  -- Falling edge of busy signal
  busy_fe <= '1' when busy = '0' and busy_d = '1' else '0';

  arbiter_pr : process (clk)
    variable prio_req : std_logic;
  begin
    if (rising_edge(clk)) then
      if (rst = '1') then
        gnt <= (others => '0');
      else  
        if (busy_fe = '1') then
          gnt <= (others => '0');
        elsif (busy = '0') then
          gnt(0) <= req(0);
          for I in 1 to req'left - 1 loop
            prio_req := '0';
            for J in 1 to I loop
              prio_req := prio_req or req(J - 1);
            end loop;
            gnt(I) <= req(I) and not prio_req;
          end loop;
        end if;
      end if;
    end if;  
  end process arbiter_pr;

end rtl;

可變大小仲裁器的 Vivado 仿真，實例化為 size = 4

?

?

兩個代理的固定優(yōu)先級仲裁器

?

?

三個代理的固定優(yōu)先級仲裁器

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?

四個代理的固定優(yōu)先級仲裁器

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?

RTL 表示顯示了處理越來越多的端口所需的組合復(fù)雜性不斷增加，并且是使用 Quartus Prime 15.1 生成的。請注意，某些塊（如輸出 FF）不是單個而是堆疊的原始實例化。如前所述，如果多個主機請求總線，則編號最小的主機將獲得gnt（回想一下，在任何給定時間只有一個主機應(yīng)接收gnt）。這個仲裁器有一個固定的優(yōu)先級。雖然在某些應(yīng)用程序中可以使用這樣的仲裁器，但最常見的仲裁器類型沒有固定的優(yōu)先級。我將在以后的文章中討論更復(fù)雜的仲裁器（循環(huán)法）。

建議練習(xí)

• 如前所述，這個簡單的仲裁器具有固定的優(yōu)先級。如果多個主控斷言它們的請求信號，則編號最小的主控器被賦予gnt。設(shè)計一個固定優(yōu)先級的主機，其中編號最高的主機具有最高優(yōu)先級。
• 在這個仲裁器中，只要一個主機請求總線，總線就被授予它。添加超時邏輯。如果一個主機斷言req超過 10 個時鐘周期，如果其他請求未完成，則取消斷言對該主機的授權(quán)信號。
• 一些仲裁者具有公園功能。Park 的意思是，如果沒有未完成的請求，gnt信號將發(fā)送給最后一個接收到它的主機。在另一個版本中，如果沒有主機斷言req，則gnt信號被分配給“默認主機”。為這兩個選項中的每一個選項設(shè)計代碼。

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