OPB总线仲裁器的RTL设计与FPGA实现

摘要：本文详细介绍了OPB总线仲裁器的信号和仲裁机理。在QuartusII8.0平台上,分别用固定优先级算法和LRU算法,用硬件描述语言(verilog HDL)对OPB总线仲裁器进行了RTL硬件建模。并用FPGA进行实现,并比较了仿真结果和综合结果,两种算法都通过了RTL和网表之间的形式验证。

0 引言

随着 SOC 设计技术的发展，为了使IP 核集成更快速、更方便，缩短进入市场的时间， 迫切需要一种标准的互联方案。CoreConnect 正是在这一背景下为SOC 设计的总线架构。按 照数据访问速度它可分为三层总线，分别是处理器内部总线PLB(Processor Local Bus)、片上 外围总线OPB（On-ChipPeripheral Bus）和设备控制总线DCR（Device Control Register）。 OPB 总线是为UART、GPIO 等慢数据率设备提供接口的总线。由于集成到总线中的功能模 块越来越多,对于共享总线系统,片上仲裁是使得各个模块有效运作的必要手段。目前关于 OPB 总线仲裁器这方面的研究报道较少，为了探寻在不同的系统负载和系统应用下选择最 佳的OPB 总线仲裁方案，本文基于固定优先级和LRU 两种算法，利用自顶向下的设计方法， 设计了OPB 总线的仲裁器，并对其综合结果做了比较。

1 OPB 总线仲裁机制

OPB 总线支持32 位数据/地址位宽，读和写数据总线分开，支持重试模式，支持突发 （burst）传输模式，支持DMA，检测总线超时功能，支持多个主设备的仲裁。OPB 总线的 系统结构分为三个部分：主设备（Master），从设备（Slave）和总线逻辑。信号命名有三种： Mn_打头的，是Master 的输出；Sln_打头的，是Slave 的输出；OPB_打头的，是总线逻辑 的输入或输出。OPB 总线允许有多个master,当这几个master 同时发出请求要求使用总线时， 就必须对他们的请求进行仲裁，并确定他们使用总线的优先级，这就是仲裁器的作用。OPB 总线仲裁器的输入输出信号如图1 所示。

SYSCLK 和RESET 为OPB 总线的系统时钟和复位信号。Mn_REQUEST 为4 个master 的请求信号，OPB_MnGRANT 为仲裁器发出的授权信号，OPB_SELECT 是master 收到授 权信号后发出的占用总线信号，OPB_ABUS 为地址总线，OPB_DBUS 为数据总线， OPB_XFERACK 为slave 数据传输完的响应，OPB_RNW 是读写使能信号，OPB_BUSLOCK 是master 锁定对总线使用权的信号，ARB_DBUS 和ARB_DBUSEN 是仲裁器的数据总线和 使能信号，ARB_XFERACK 是仲裁器传输数据完成的响应信号。OPB_TOUTSUP 是slave 超时禁止的信号，OPB_TIMEOUT 是总线超时信号。

仲裁过程说明如下：

Master 首先发出Mn_REQUEST 信号申请占用总线，仲裁器根据总线占用情况和优先权 算法发出OPB_MnGRANT 信号，得到最高优先权的master 拉高Mn_SELECT 信号，其他 master 把这个信号置低，这4 个select 信号通过或逻辑形成OPB_SELECT 信号输入给仲裁 器。

同时发送地址 Mn_ABUS，也是通过或逻辑转变成OPB_ABUS 输入给仲裁器。OPB 总 线有多个slave 设备，每个slave 都有自己的地址空间值，Master 发送的Mn_ABUS 正是包 含了他所要使用的slave 的地址值，slave 会对值进行比较，如果相等，master 就可以对slave 进行读写操作。

读操作时，master 拉高OPB_RNW，仲裁器拉高ARB_DBUSEN,并通过ARB_DBUS 输 出数据。写操作时，master 拉低OPB_RNW,通过OPB_DBUS 输入数据。当有效数据传输完 成后，仲裁器会拉高ARB_XFERACK 信号响应。Master 在收到响应后，会拉低Mn_SELECT 信号，结束此次总线事务。

2 OPB 总线仲裁器的设计

采用自顶向下的设计方法，将设计分成4 个模块，分别为优先级逻辑模块，仲裁模 块，看门狗超时模块和锁定/停靠模块。原理图如图2 所示。

图2 仲裁器设计原理图

1） 优先级逻辑模块

这个模块采用两种不同的算法进行设计，分别是LRU(Least Recently Used)算法和固定 优先级算法[1]。

a) LRU 算法

LRU 算法就是根据master 的编号循环得到优先级，保证每个设备都有机会获得总线。我 们设计的是最多支持4 个master 的仲裁器，所以采用一个8 位的寄存器，用来存放4 个master 的二进制编号。每个周期都要更新这个寄存器值，将得到最高优先级的master 编号放到最 低优先级，其他3 个master 编号各进一级。用这种算法设计的仲裁器的仿真结果如图3。

其中 ARB_DBUS 读出来的数据正是寄存器中保存的master 编号，优先级从高位到低位 递减。00，01，10，11 代表master 的编号0，1，2，3。当4 个master 同时发出请求时，第 一个时钟周期将优先级授权给master0,第二个时钟周期时，master0 的优先级降为最低，其 他三个优先级递进，所以此时授权给master1。后面的周期依次循环，4 个master 将轮流获 得授权。

b) 固定优先级算法

固定优先级算法将 4 个master 的优先级按顺序固定下来，不会改变[2]。这种算法设计更 简单，不需要每周期对master 的优先级更新。设计时优先级寄存器中的值只在总线执行写 操作和复位时才会改变，平时固定不变。仿真结果见图4。

ARB_DBUS 是写入的4 个master 的优先级顺序，master0 为最高，master3 最低。当4 个master 同时发出请求时，授权给master0；当master0 不发出请求，其他三个master 发出 请求时，则根据优先级顺序，授权给master1;依此类推。

2）仲裁逻辑模块

从优先级逻辑模块得到的优先级寄存器信号，将被输入到仲裁逻辑模块。用以对4 个 master 的Mn_REQUEST 请求信号排序，然后优先级从高到低排序的master 中，第一个拉高 请求信号的master 将被授权占用总线。仲裁逻辑模块输出的授权信号是最原始的，这个信 号还要经过锁定/停靠逻辑模块处理才能得到最终的授权信号（OPB_MnGRANT）。

3） 看门狗超时逻辑模块

看门狗逻辑用来监控OPB 的控制信号，当master 在16 个时钟中期内没有能够收到slave的响应信号（ OPB_XFERACK ） 和超时禁止信号（ OPB_TOUTSUP ）， 将会拉高 OPB_TIMEOUT 超时信号[3]。这部分的设计采用一个4 位计数器对时钟进行记数。

4） 锁定/停靠逻辑模块

优先级锁定是得到最高优先级的master 同时拉高OPB_BUSLOCK 信号，这样在这个信 号被置低之前，这个master 将始终得到总线的占用权，仲裁逻辑将不启用。此时不管master 是否发送请求，都不会对仲裁产生影响。优先级的锁定是通过将仲裁逻辑得到的原始优先级 信号和OPB_BUSLOCK 信号相与后产生的。优先级停靠是当没有新的master 发出请求信号 时，总线继续授权给当前占用总线的master。这里设计了一个四位寄存器用来追踪最近占用 总线的master 编号。

最后，通过altera 公司的CycloneII FPGA 对两种设计进行综合[4]，并对综合结果进行比 较。并采用cadence 公司的conformal 进行RTL 代码和网表之间的形式验证。表1 为综合 和形式验证结果。

得出的结论是：固定优先级算法设计简单，占用资源少，可以达到较高的应用频率。但 这种算法使优先级高的设备占着总线不放，当总线事务繁忙时，优先级低的设备将申请不到 总线，所以只适用于总线使用率低，负载低的应用。而LRU 算法虽然更占资源，频率也低 点，但这种算法授权更加公平，使所有设备都有机会申请到总线，适用于总线使用率高，负 载高的应用。

3 结束语

本文通过对 OPB 总线仲裁器两种算法的研究，比较了两种算法的性能优劣并得出结论， 固定优先级算法设计简单，占用资源少，可以达到较高的应用频率，能够保证主要处理器的 运行速度，但缺乏公平性；LRU 算法更占资源，频率较低，但具有公平性，适用于总线使 用率高，负载高的应用。对不同的总线负载和使用率情况下选择最佳的OPB 总线仲裁方案 提供了依据，对高效的系统设计和嵌入式应用有重要的参考价值和指导意义。