AMBA-AHB仲裁机制

前文        

 

​​AHB协议仲裁机制详解​​

​​1. 仲裁机制核心功能​​

仲裁器（Arbiter）是AHB总线的核心模块，用于在多主（Multi-Master）系统中协调总线访问权。其核心功能如下：

• ​​单主占用​​：确保同一时刻只有一个主设备（Master）接入总线。
• ​​优先级决策​​：基于自定义优先级算法（如固定优先级、轮询、动态优先级）选择授权的主设备。
• ​​突发完整性保护​​：通常不打断固定长度的突发传输（如INCR4、WRAP8），但未定义长度的突发（如INCR）可能被中断。

​​2. 仲裁信号与交互流程​​

AHB协议通过以下信号实现仲裁控制：

​​信号名称​​	​​方向​​	​​功能描述​​
HBUSREQx	Master→Arbiter	主设备请求总线访问（例如HBUSREQ0表示Master0请求总线）。
HLOCKx	Master→Arbiter	指示当前传输为​​不可中断的锁定序列​​（如原子操作、关键数据搬运）。
HGRANTx	Arbiter→Master	仲裁器授权主设备访问总线，需在HREADY=1时生效。
HMASTER[3:0]	Arbiter→Slave	标识当前获得总线授权的主设备编号，用于Slave选择数据源或响应。
HMASTERLOCK	Arbiter→Slave	指示当前传输是否为锁定序列（与HLOCKx联动）。
HSPLIT[15:0]	Slave→Arbiter	支持SPLIT传输，从设备通知仲裁器释放指定主设备的总线占用。

​​3. 优先级算法设计​​

AHB协议未规定具体算法，设计者需根据系统需求选择：

​​3.1 固定优先级（Fixed Priority）​​

• ​​规则​​：主设备按预设优先级排序（如Master0 > Master1 > ...）。
• ​​场景​​：实时性要求高的系统（如中断控制器、DMA）。
• ​​示例​​：

  // 固定优先级仲裁器逻辑（Master0优先级最高）
  assign HGRANT0 = HBUSREQ0;
  assign HGRANT1 = HBUSREQ1 && !HBUSREQ0;
  assign HGRANT2 = HBUSREQ2 && !HBUSREQ0 && !HBUSREQ1;

​​3.2 轮询（Round-Robin）​​

• ​​规则​​：主设备按循环顺序获得授权，避免低优先级设备“饿死”。
• ​​场景​​：公平性要求高的多任务系统（如CPU与GPU协同）。
• ​​示例​​：
  使用状态机记录当前授权设备，每次授权后切换至下一设备。
• 轮询仲裁主要是通过循环调整优先级，避免低优先级设备长期无法获得总线。其核心是​​优先级寄存器轮转​​和​​突发传输周期控制​，下面是示例代码：

        轮询仲裁的规则是当0、1、2、、、N-1个data模块同时向仲裁器发出请求 (request) 时，初始情况下data_req_0的优先级最高，当仲裁器响应了data_req_0后，data_req_1的优先级最高，存在规律：当仲裁器响应了data_req_i后，就令data_req_(i+1)的优先级最高（假设i不是最高位）。

        轮询仲裁器实现：轮询仲裁器的实现分为检测仲裁器输入口data模块的request，根据当前仲裁器的优先级响应相应的request，仲裁器grant输出data端的请求，更新仲裁器的优先级。假设模块的请求为8bit的request，每1bit代表第1个模块发起的request，当request中有多个bit位同时为1时，代表有多个模块同时申请总线，这时候我们就需要根据轮询仲裁规则，给优先级最高的模块一个grant信号，因此我们设置grant信号也为一个8bit的信号，当总线把控制权给第i个模块时，就把grant信号的第i位拉高，其他位为0。

例如：request = 8'b1101_0011时，共有五个模块同时申请总线，此时优先级最高的为第0个模块，所以输出grant = 8'b0000_0001。并把第0个信号的优先级调到最低，第1个信号的优先级调到最高。此时优先级顺序为1>2>3>4>5>6>7>0，若此时又来一个request = request = 8'b1101_0101，由于bit 0位置的优先级最低，所以继续往后搜索，搜索到bit 2位置，所以输出grant = 8'b0000_0100，第2个信号优先级调到最低，第3个信号优先级调到最高，即输出后优先级顺序变为：3>4>5>6>7>0>1>2，以此类推，这就是轮询仲裁。

module rr_arbiter(input                clk         ,input                rstn        ,input        [7:0]   req         ,output  reg  [7:0]   grant       
);reg  [7:0] shift_req;
wire [7:0] prio_grant;
wire [2:0] shift_length;// 根据上一周期的grant，修改request，使得最低bit位优先级最高。
always @(*)begincase(grant)     //this grant is pre-cycle request's result8'b0000_0001:shift_req = {req[0:0],req[7:1]};8'b0000_0010:shift_req = {req[1:0],req[7:2]};8'b0000_0100:shift_req = {req[2:0],req[7:3]};8'b0000_1000:shift_req = {req[3:0],req[7:4]};8'b0001_0000:shift_req = {req[4:0],req[7:5]};8'b0010_0000:shift_req = {req[5:0],req[7:6]};8'b0100_0000:shift_req = {req[6:0],req[7:7]};default:shift_req = req;endcase
end// 找到修改后最低位的one-hot码（参考fixed_arbiter设计）
assign prio_grant = shift_req & (~(shift_req-1));  // 如果grant信号是1，那么移动长度计算需要+1，如果grant信号是0则不+1.
// 这是因为$clog2函数，有$clog2(0)=$clog2(1)=0的缘故，所以我们需要区分grant是不是0.
assign shift_length = grant?($clog2(prio_grant) + $clog2(grant)+1):($clog2(prio_grant) + $clog2(grant));always @(posedge clk)beginif(!rstn)begingrant <= 8'd0;endelse if(req==0) // 如果输入为0，那么grant信号直接给0grant <= 8'd0;elsecase(shift_length)3'd0:grant <= 8'b0000_0001;3'd1:grant <= 8'b0000_0010;3'd2:grant <= 8'b0000_0100;3'd3:grant <= 8'b0000_1000;3'd4:grant <= 8'b0001_0000;3'd5:grant <= 8'b0010_0000;3'd6:grant <= 8'b0100_0000;3'd7:grant <= 8'b1000_0000;endcase
endendmodule

module rr_arbiter_tb();
reg clk,rstn;
reg [7:0] req;wire [7:0] grant;initial beginforever #5 clk = ~clk;
endinitial beginclk = 0;rstn = 0;req = 8'd0;#10rstn = 1;#5req = #1 8'b1011_1110;#10req = #1 8'b0101_0010;#10req = #1 8'b1010_1000;#10req = #1 8'b1100_1000;#10req = #1 8'd0;#50$finish();
endrr_arbiter u_rr_arbiter(.clk    (clk)  ,.rstn   (rstn) ,.req    (req)  ,.grant  (grant)
);initial begin$fsdbDumpfile("rr_arbiter.fsdb");$fsdbDumpvars(0);
endendmodule

 

​​3.3 动态优先级（Dynamic Priority）​​

• ​​规则​​：优先级根据系统状态（如负载、紧急任务）动态调整。
• ​​场景​​：复杂SoC中的资源调度（如AI加速器突发负载）。
• ​​示例​​：
  结合HSPLIT信号动态提升等待时间过长的主设备优先级。
• 动态优先级结合固定优先级和等待时间阈值，提升公平性.

下面是一个例子，关键设计点​​：

1. ​​两级优先级​​：默认按固定优先级授权，若某设备等待时间超过阈值则临时提升其优先级。
2. ​​等待时间计数器​​：记录每个主设备从发出请求到获得授权的延迟，超过阈值时触发优先级调整。
3. ​​防止饿死​​：低优先级设备在长时间等待后可通过超时机制获得总线

// 动态优先级仲裁器（固定优先级 + 等待时间阈值）
module dynamic_priority_arbiter (input clk,input resetn,input [3:0] busreq,       // 4个主设备请求input [3:0] wait_time,    // 各设备等待时间计数input [3:0] time_threshold, // 等待时间阈值output reg [3:0] grant
);// 优先级判定逻辑
always @(*) begin// 检测是否有设备等待超时if (|(wait_time >= time_threshold)) begin// 优先授权超时设备（按固定优先级顺序）casex (wait_time >= time_threshold)4'b1xxx: grant = 4'b1000; // 设备3超时4'b01xx: grant = 4'b0100; // 设备2超时4'b001x: grant = 4'b0010; // 设备1超时4'b0001: grant = 4'b0001; // 设备0超时default: grant = 4'b0000;endcaseend else begin// 默认固定优先级（设备3 > 2 > 1 > 0）casex (busreq)4'b1xxx: grant = 4'b1000;4'b01xx: grant = 4'b0100;4'b001x: grant = 4'b0010;4'b0001: grant = 4'b0001;default: grant = 4'b0000;endcaseend
end// 等待时间计数器更新逻辑
always @(posedge clk) beginif (!resetn) beginwait_time <= 0;end else beginfor (int i=0; i<4; i++) beginif (busreq[i] && !grant[i]) wait_time[i] <= wait_time[i] + 1; // 未授权则累加else wait_time[i] <= 0;                // 授权或未请求则清零endend
endendmodule

​​4. 突发传输中断与恢复​​

​​4.1 可中断条件​​

• ​​未定义长度突发（INCR）​​：允许仲裁器中断，释放总线给更高优先级设备。
• ​​锁定传输（HLOCK=1）​​：不可中断，仲裁器必须等待传输完成。

​​4.2 中断恢复机制​​

• ​​示例​​：INCR8传输在3拍后被打断，剩余5拍需拆分传输：
  • ​​拆分方式1​​：SINGLE（第4拍） + INCR4（第5~8拍）。
  • ​​拆分方式2​​：INCR5（直接继续剩余传输）。
• ​​代码逻辑​​：

  // Master中断恢复逻辑
  if (burst_interrupted) beginHBURST = (remaining_beats == 1) ? SINGLE : INCR;HTRANS = NONSEQ; // 重新启动传输
  end

​​5. 关键设计考量​​

1. ​​总线效率与实时性平衡​​
   • 高优先级设备频繁打断可能导致低优先级设备延迟激增，需设置最大等待阈值。
2. ​​锁定传输（Locked Transfer）​​
   • 用于关键操作（如缓存一致性协议），需通过HLOCKx信号禁止仲裁器中断。
3. ​​SPLIT传输支持​​
   • 从设备通过HSPLIT通知仲裁器释放指定主设备，适用于资源冲突场景（如共享外设忙）。

6.零周期等待示例

         下图显示了零等待周期，HREADY 为高时的判决情况。第一个周期 master 发出总线接入请求，第二个周期 arbiter 做出判决，第三个周期 arbiter 发出授权信号，第四周期master开始传递地址。

总结​​

AHB仲裁机制通过灵活的优先级算法和信号交互，实现了多主系统的高效总线管理。设计时需重点考虑：

• ​​算法选择​​：根据实时性、公平性需求选择固定、轮询或动态优先级。
• ​​突发完整性​​：优先保障固定长度突发的完整执行，未定义突发需支持动态拆分。
• ​​异常处理​​：通过HSPLIT和锁定传输优化资源冲突与关键任务调度。
  该机制在复杂SoC中广泛用于平衡CPU、DMA、加速器等模块的总线竞争，是高性能系统设计的核心基础。