前文介紹了一個固定優(yōu)先級arbiter的可綜合SysyemVerilog代碼，你一定注意到了該設(shè)計的一個最大缺點。存在靜態(tài)優(yōu)先級意味著，在某些情況下，低優(yōu)先級的模塊可能永遠無法得到服務(wù)。這被稱為餓死，在某些設(shè)計中可能沒問題，但在某些設(shè)計中，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仲裁方案。

「數(shù)字芯片設(shè)計【不定期更新文件】」

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避免它的一種方法是輪詢優(yōu)先級。一旦請求模塊得到服務(wù)，下一個模塊將獲得最高優(yōu)先級，以循環(huán)方式進行優(yōu)先級的調(diào)整。這就是為什么這個仲裁器被稱為Round Robin輪詢仲裁器，它用于避免設(shè)計中的餓死。

某個模塊的請求必須等待的最大時間取決于此設(shè)計中的請求者數(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位請求的RR仲裁。優(yōu)先級根據(jù)變量pointer_reg進行輪換，每當請求者獲得服務(wù)時，pointer_reg都會發(fā)生變化。例如，如果模塊0被服務(wù)，那么最高優(yōu)先級將是模塊1。當模塊1被服務(wù)時，模塊2將獲得最高優(yōu)先級。

我們可以寫出計算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)先級仲裁一樣，這種設(shè)計是不可擴展的。輸入請求數(shù)量較多的代碼編寫起來很繁瑣，而且容易出錯。下面介紹其他可擴展且易于參數(shù)化的設(shè)計。 

The Rotate + Priority + Rotate Design

以“Rotate + Priority + Rotate”的設(shè)計為例。它使用固定優(yōu)先級仲裁器，并向右或向左移動輸入，以模仿優(yōu)先級的旋轉(zhuǎn)。假設(shè)4'b1011是第一個輸入，這次沒有移位，因為這是第一個輸入。假設(shè)LSB具有最高優(yōu)先級，當我們將其發(fā)送給固定優(yōu)先級仲裁器時，此輸入的輸出將為4'b0001。假設(shè)下一個輸入是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。由于這是第二個輸入，我們將其移動1，因此對固定優(yōu)先級仲裁器的輸入現(xiàn)在變?yōu)?'b1001，輸出也變?yōu)?'b0001。但這不是我們的最終輸出，因為在計算輸出grant信號之前，我們將輸入“向左右”移動了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。這是一個簡單但有效的設(shè)計。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)計速度不是很快，因為需要大量的操作來生成grant輸出，但綜合時需要非常小的面積。

The MUXed parallel priority arbiters

從圖表中可以看出，這個設(shè)計相當大。該設(shè)計還是使用固定優(yōu)先級仲裁器，每個輸入請求都有一個固定優(yōu)先級仲裁器。隨著輸入請求者數(shù)量的增加，它只會越來越大。但好的方面是，它非常快。由于所有優(yōu)先級仲裁器的輸出grant已經(jīng)計算好了，我們只是從中選擇一個輸出。讓我們嘗試為4位輸入請求總線編寫此設(shè)計代碼。

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)來實例化固定優(yōu)先級仲裁器，輕松地對此設(shè)計進行參數(shù)化。

Two Simple Priority Arbiters with a Mask

此設(shè)計使用兩個固定的優(yōu)先級仲裁。一個用于計算請求輸入的grant輸出，另一個用于計算帶有屏蔽請求輸入的grant輸出。屏蔽請求是通過使用mask變量對輸入請求進行AND來計算的，每次請求服務(wù)時，其值都會發(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

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

Weighted RR Arbiter

這也是一個輪詢仲裁，但有一點變化。例如，讓我們假設(shè)請求者0的權(quán)重值為3，請求者1的權(quán)重值為2。如果在第一個周期中，輸入為4'b0011，請求者0將被服務(wù)?，F(xiàn)在請求者0已服務(wù)，其權(quán)重減少到2。請求者1的權(quán)重值仍然為2。假設(shè)輸入在第二個周期中是相同的，即4'b0011。理想情況下，這次請求者1應(yīng)該根據(jù)循環(huán)計劃獲得服務(wù)，但由于請求者0和1的權(quán)重相同，我們假設(shè)LSB具有最高的優(yōu)先級，請求者0將再次獲得服務(wù)，其權(quán)重將減少到1?，F(xiàn)在，如果我們在第三個周期中看到相同的輸入，請求者1的權(quán)重值更大，因此請求者1這次將得到服務(wù)。