高帶寬嵌入式應(yīng)用中SoC微控制器的總線設(shè)計(jì)

　　共享總線的概念并不能滿足SoC中的這些要求。在典型的AHB設(shè)計(jì)中，總線主控是總線上全部的主要資源，也就是說(shuō)，當(dāng)總線空閑時(shí)，它們可向總線請(qǐng)求完成一個(gè)任務(wù)所需要的時(shí)間。但在基于ARM的SoC中，程序設(shè)計(jì)者不能直接控制當(dāng)它們掌管總線時(shí)可得到多少總線資源。

　　共享總線架構(gòu)用多種方式來(lái)區(qū)分這些操作的優(yōu)先次序，包括：菊花鏈仲裁、集中式并行仲裁、基于自選或沖突監(jiān)測(cè)的分布式仲裁以及帶多個(gè)總線請(qǐng)求的總線仲裁。但當(dāng)指定的主控接管總線后，其他操作就會(huì)擱置在一邊。目前還沒(méi)有一種機(jī)制能夠讓多個(gè)資源同時(shí)訪問(wèn)總線，使其既滿足應(yīng)用要求，又不會(huì)影響其他重要操作提供確定性及實(shí)時(shí)性響應(yīng)的能力。

　　在AMBA環(huán)境中處理這類情況的一種通用方法是使用仲裁通道。如果有六個(gè)總線主控，總線便設(shè)計(jì)成有六個(gè)仲裁通道。但是，片上仲裁邏輯根據(jù)請(qǐng)求訪問(wèn)該總線的主控?cái)?shù)目來(lái)分配這些通道，而不是把每個(gè)通道指定給某個(gè)特定的主控。如果有四個(gè)主控請(qǐng)求訪問(wèn)總線，則這六個(gè)通道會(huì)在這四個(gè)主控之間進(jìn)行分配，確保每個(gè)主控有平等的機(jī)會(huì)訪問(wèn)該總線。

　　然而，這并不能解決如何分配足夠的總線帶寬以完成某一特定任務(wù)這一基本問(wèn)題。若其中一個(gè)操作需要三個(gè)通道，而其它操作總共只需要兩個(gè)通道，則每一種操作將會(huì)分配到相同數(shù)量的可用通道空間。其結(jié)果是，有的通道沒(méi)有充分利用(甚至根本沒(méi)用到)，而有的則超負(fù)荷使用，影響SoC在極低延遲內(nèi)對(duì)事件進(jìn)行確定性響應(yīng)的能力。

　　可編程總線帶寬控制系統(tǒng)

　　因此，需要一種可編程的總線帶寬分配方案，在某一特定時(shí)刻為某一特定的主控分配其所需的總線配置，并將剩余的總線空間分配給其它可能要求訪問(wèn)該總線的主控。由于這種方案可能隨時(shí)間改變，因此需要一種機(jī)制以便按照常規(guī)原理重新分配總線資源。

　　NetSilicon公司已開(kāi)發(fā)一種新的帶寬控制系統(tǒng)來(lái)取代采用AMBA架構(gòu)的帶寬控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一個(gè)16槽位旋轉(zhuǎn)優(yōu)先級(jí)總線仲裁器(見(jiàn)圖1)，這種仲裁器包含一套可編程偽隨機(jī)或旋轉(zhuǎn)優(yōu)先級(jí)緩存替換算法。例如，在NetSilicon的 NS9750(見(jiàn)圖2)中，AHB上的六個(gè)通道不是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行分配，而是根據(jù)16槽位總線分配方案由六個(gè)總線主控分享。通過(guò)系統(tǒng)控制模塊中的專用寄存器，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者目前可采用三種方法在SoC中分配總線資源。

　　在最高層次，某特定總線主控每次發(fā)出的一個(gè)訪問(wèn)請(qǐng)求，都會(huì)按請(qǐng)求順序得到響應(yīng)，直到這六個(gè)主控全被輪詢。根據(jù)所需帶寬，每一個(gè)總線主控可分配到一定數(shù)目的槽位并獨(dú)占這些槽位。例如在NS9750中，四個(gè)槽位分配給CPU，四個(gè)槽位給以太網(wǎng)，四個(gè)槽位給BBus橋，三個(gè)槽位給LCD，三個(gè)槽位給PCI/卡總線，但在系統(tǒng)運(yùn)行期間系統(tǒng)軟件會(huì)根據(jù)需要重新評(píng)估這一分配方案，這可用來(lái)確定AHB總線周期的數(shù)目。如果在下一個(gè)評(píng)估周期中情況沒(méi)有發(fā)生變化，則沿用以前的設(shè)置，如果情況有變，則協(xié)定新的總線主控槽位分配方案。

　　為對(duì)總線資源進(jìn)行更精確的控制，這種循環(huán)仲裁方案提供兩個(gè)附加層次的可編程性能：分配給ARM CPU的總線帶寬大小以及這16個(gè)槽位中每個(gè)槽位的帶寬利用率。

　　NS9750的ARM926EJ-S內(nèi)核作為總線主控時(shí)不能控制所有總線資源，缺省情況下它只能控制50%的總線帶寬或16個(gè)槽位中的8個(gè)，這樣可確保其它五個(gè)總線主控可以一直占有至少50%的總線帶寬。不過(guò)，在程序設(shè)計(jì)者直接控制下，它可以按照指令將其部分帶寬釋放給另一個(gè)總線主控，或者，在該總線仲裁周期內(nèi)或程序設(shè)計(jì)者認(rèn)為必要的任何周期中控制另外的槽位。

　　程序設(shè)計(jì)者也可為每個(gè)槽位選擇帶寬利用系數(shù)——100%、75%、50%或25%。這一選擇是通過(guò)控制何時(shí)以及以怎樣的順序分配每個(gè)槽位的訪問(wèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，系數(shù)為25%，則這個(gè)槽位每四個(gè)周期只能被輪詢一次；系數(shù)為50%，則每?jī)蓚€(gè)周期輪詢一次；75%，則每四個(gè)周期輪詢?nèi)巍?/FONT>

　　對(duì)旋轉(zhuǎn)總線仲裁器進(jìn)行編程

　　程序設(shè)計(jì)者可通過(guò)包含在系統(tǒng)控制模塊內(nèi)的幾個(gè)寄存器定義多種選項(xiàng)。第一個(gè)寄存器是16入口總線請(qǐng)求配置寄存器，它的每一個(gè)入口代表一個(gè)主控和一個(gè)準(zhǔn)許槽位的總線請(qǐng)求。每一個(gè)請(qǐng)求/準(zhǔn)許槽位每次只能分配給一個(gè)總線主控，但根據(jù)總線主控的帶寬要求，每個(gè)總線主控可同時(shí)連接多個(gè)請(qǐng)求/準(zhǔn)許槽位。當(dāng)多個(gè)通道分配給一個(gè)主控時(shí)，這些通道應(yīng)均勻分布在這16個(gè)通道當(dāng)中。

　　每個(gè)請(qǐng)求/準(zhǔn)許槽位都有一個(gè)兩位的帶寬壓縮字段(BRF)，用以確定每個(gè)槽位能對(duì)系統(tǒng)總線進(jìn)行仲裁的頻率(100%、75%、50%或25%)。BRC將總線請(qǐng)求信號(hào)輸出到第二個(gè)16入口總線請(qǐng)求寄存器(BRR)，默認(rèn)情況下，BRC中未被分配的槽位將阻止用任何總線請(qǐng)求信號(hào)設(shè)置相應(yīng)的BRR入口。

　　第四個(gè)寄存器用于存儲(chǔ)哪個(gè)總線主控有數(shù)據(jù)在等待向AHB傳輸，而第五個(gè)寄存器則是程序設(shè)計(jì)者用來(lái)為每個(gè)總線請(qǐng)求和準(zhǔn)許槽位(分配給特定總線主控)分配權(quán)重值。