專利名稱：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
本發(fā)明還涉及一種數(shù)據(jù)處理方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)認識到實時多媒體數(shù)據(jù)處理功能將越來越多地在可編程體系結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)。這種功能可以用硬件、軟件或軟硬件結(jié)合的方式來實現(xiàn)。多媒體可以包括音頻、圖形、視頻等等。這種可編程體系結(jié)構(gòu)可以包括中央處理單元、輸入/輸出單元、用于例如用于多媒體圖像處理的可選協(xié)處理器、共享總線以及與主存儲器相連的總線仲裁器。
在現(xiàn)有技術(shù)中，中央總線仲裁器用于確定允許哪些數(shù)據(jù)處理單元訪問存儲器。該總線仲裁器對總線請求進行調(diào)度，以實現(xiàn)兩個不同的目的。首先，它確保存儲器每次只需要處理一個請求。其次，與其它客戶的總線請求相比，它確保對高優(yōu)先級客戶的總線請求處理得更加頻繁，從而在總可用總線容量中劃分出特定帶寬以供各總線客戶使用。在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，這些處理單元同時嘗試以盡可能最快的速度進行工作。該最大值是一個設(shè)計屬性。在許多情形中，這意味著處理速度僅僅受限于可用數(shù)據(jù)，因此，實際處理速度取決于仲裁器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人認識到在許多情形中，這些數(shù)據(jù)處理單元在明顯低于它們最大負荷量的水平上工作，具體取決于系統(tǒng)模式或者使用情況。此外，這些處理單元經(jīng)常以重復(fù)的方式完成這些工作負荷，例如以特定的圖像速率處理圖像。在這種情況下，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的處理單元在重復(fù)周期開始的時候試圖消耗盡可能多的帶寬，而在該周期結(jié)束的時候還剩余未用的帶寬。在本發(fā)明中，一種新方法的目的是在重復(fù)周期內(nèi)更加均勻地分配帶寬消耗。帶寬消耗的這種分配是通過按照受控方式延遲實際總線傳輸來實現(xiàn)的。這就意味著不是對總線接口的瞬時帶寬進行限制，而是應(yīng)當(dāng)基于上述延遲對總線接口的平均帶寬進行限制。這就意味著如果發(fā)出請求的設(shè)備后來擁有的可用總線帶寬小于它自己提出的帶寬，那么，原則上它會在隨后的時間間隔中對該差別進行補償(catch-up)。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選實施例，這種補償時間是在一個短暫的所謂富余時間間隔(slack timeinterval)內(nèi)提供的，該富余時間間隔位于指定了可用平均總線帶寬的時間間隔的末尾。典型情況下，富余時間間隔占平均時間間隔的百分比范圍優(yōu)選為5％。但是，根據(jù)配置和應(yīng)用，3～8％的范圍，甚至1～12％的范圍等等，也是可行的。
作為改進的結(jié)果，可以放寬對中央總線仲裁器的要求和限制，從而簡化它的設(shè)計。此外，中央總線仲裁器的軟件控制或者硬件控制也會得到簡化。這些優(yōu)點是因為觀察到中央總線仲裁器的任務(wù)之一得到簡化而獲得的。由于這些處理器自己限制它們使用的帶寬，因此中央仲裁器不需要施加這一限制?？刂浦醒胫俨闷鞯臅r候，應(yīng)當(dāng)知道所有潛在用戶及其相應(yīng)的帶寬要求，以便據(jù)此規(guī)定當(dāng)前可用的傳輸速率。這些要求甚至可以根據(jù)實際模式設(shè)置而改變。在本發(fā)明中，分別控制每個處理器的帶寬消耗，只考慮它自己的工作模式。在這里，控制的簡化也是非常明顯的。
事實上，本發(fā)明人還認識到可以通過休止周期(stall cycle)，用一種直截了當(dāng)?shù)姆绞?，來實現(xiàn)相對降低瞬時傳輸要求的效果。但是，在這種情況下，請求方必須始終知道通信總線設(shè)備的最大長時傳輸速率。具體而言，US2003-0025698 A1描述了如何利用休止周期來降低實際傳輸速率，該文獻與本發(fā)明具有相同的發(fā)明人，并且也轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，在這里將它引入作為參考。
因此，本發(fā)明的一個目的是簡化系統(tǒng)的設(shè)計和控制，同時確?？山邮艿膫鬏斠蟮膶崟r限制。本發(fā)明的另一個目的是提供一種智能總線接口解決方案，它不需要重新設(shè)計各種處理站，也不需要重新設(shè)計總線體系結(jié)構(gòu)。
因此，根據(jù)它的一個方面，在權(quán)利要求1中描述了本發(fā)明。具體而言，本發(fā)明的附加特征包括用帶寬控制單元加強合適的總線接口。利用這些帶寬控制單元，可以控制帶寬的消耗，從而有效地降低媒體處理單元的平均數(shù)據(jù)處理速度?？偩€仲裁器仍是必需的，因為各種媒體處理單元仍會同時啟動總線傳輸。但是，因為數(shù)據(jù)處理單元的帶寬控制單元分散地控制數(shù)據(jù)傳輸速率，所以，總線仲裁器的任務(wù)會得到簡化。
具體的媒體處理單元可以具有一個總線接口或者一對總線接口，它們的工作方向相反，并且，每一個接口都有一個適當(dāng)?shù)膸捒刂茊卧?。如果單個媒體處理單元或者處理器有一個以上的帶寬控制單元是合適的，那么，這些帶寬控制單元可以互聯(lián)或者不互聯(lián)，甚至可以合并成單個帶寬控制單元，以用于關(guān)聯(lián)的媒體處理單元。
本發(fā)明還涉及權(quán)利要求6所述的一種方法。從屬權(quán)利要求中記載了本發(fā)明的其他有利方面。


下面將結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施例，尤其是參考附圖，詳細介紹本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點。
其中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)面向總線(bus-oriented)的系統(tǒng)；圖2示出了本發(fā)明的一個增強版本；圖3更加詳細地示出了圖2所示系統(tǒng)的第一個實施例中的帶寬控制器；圖4更加詳細地示出了圖3所示帶寬控制器的一個方面；圖5更加詳細地示出了圖3所示帶寬控制器的另一種實現(xiàn)方式的一個方面；圖6更加詳細地示出了圖3所示帶寬控制器的另一實現(xiàn)方式的一個方面；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的方法；
圖8示出了第一個時序圖；圖9示出了第二個時序圖。
具體實施例方式
圖1示出了典型的現(xiàn)有技術(shù)中面向總線系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有總線BUS、共享存儲器MEM、總線仲裁器ARB、媒體處理單元PU1和單向總線接口設(shè)備IB1，IB1包括相應(yīng)的緩沖器。多個媒體處理單元PU1、PU2、PU3共享總線BUS和存儲器MEM，它們中的至少一個是一個還控制整個系統(tǒng)的CPU。其它種類的媒體處理單元包括協(xié)處理器和物理信號源單元，如語音或圖像輸入或輸出單元，或者海量存儲器。由于這些媒體處理單元中的每一個都能夠獨立于其它媒體處理單元啟動總線傳輸，因此有兩個理由需要仲裁器首先，為總線傳輸排定順序；其次，為每個處理單元分配帶寬限制。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖1所示結(jié)構(gòu)的一個增強版。如圖所示，總線接口設(shè)備IB1、OB1各自用一個總線帶寬控制單元CTRL1、CTRL0來增強。據(jù)此可以控制總線帶寬消耗，從而有效地降低這種情形下媒體處理單元PU1的數(shù)據(jù)處理速度。這兩個控制單元CTRL1、CTRL0可以互聯(lián)或不互聯(lián)和/或合并成單個控制單元。事實上，單個媒體處理單元可以具有一個或多個總線接口。緩沖可以按照FIFO程序進行。仍然需要中央仲裁器來為總線傳輸排定順序，但是可以放寬對帶寬限制的要求，因為這些總線帶寬控制單元會限制帶寬的使用。
圖3示出了通過總線接口設(shè)備OB1與總線BUS相連接的一個處理單元PU1，同時更詳細地示出了帶寬控制單元CTRL的一個實施例。這個帶寬控制單元包括一個平均值計算單元AV，計算通過總線接口設(shè)備OB傳輸?shù)娇偩€的平均數(shù)據(jù)量Sta。為此目的，平均值計算單元接收一個信號St，其表示通過總線接口設(shè)備OB1傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。雖然在這個實例中示出了輸出緩沖器的控制，但是它同樣能夠應(yīng)用于輸入緩沖器或者組合的I/O緩沖器。這個帶寬控制單元CTRL還包括一個寄存器LIM，用于儲存允許的平均數(shù)據(jù)速率Stl的一個指示。比較器CMP比較這些信號，并且用控制信號CT控制門G。正常情況下，這個門G將總線請求BR1作為信號BR0從總線接口OB1發(fā)送給仲裁器，如果總線可用，仲裁器就用一個確認信號ACK做出響應(yīng)。但是，如果通過總線接口設(shè)備OB1向總線傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)量Sta超過允許的平均數(shù)據(jù)率St1，那么，控制信號CT就讓門G阻擋總線請求信號BR1。在這種情況下，仲裁器不會收到任何請求BR0，從而防止進一步的數(shù)據(jù)傳輸，直到平均值Sta下降到允許值Stl以下為止。
另一方面，如果有一段時間總線BUS因為另一裝置而不可用，例如，具有高優(yōu)先級的一個CPU占用了這條總線，那么，傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)量Sta明顯地低于允許值Stl。在這種情況下，處理設(shè)備PU1可以暫時提高數(shù)據(jù)傳輸速率，直到平均值Sta再次達到允許值Stl為止。
進行帶寬控制的理由有多種。首先，帶寬控制單元CTRL可以將媒體處理單元消耗的帶寬改變到適于實際實現(xiàn)的功能。這就意味著帶寬是依賴于功能的，而不是依賴于站的。在這種情況下，引用的專利申請supra公開了通過提供可編程硬件電路來利用休止周期。本發(fā)明提供另一種方式來讓處理器休止，從而減少它的帶寬消耗。本發(fā)明還更加通用，因為它只需要在總線接口單元中實現(xiàn)一次，并且可以用于許多不同的媒體處理單元。本發(fā)明必需的控制軟件更易于設(shè)計，因為“傳輸帶寬”特性是立即受控的，而計算下降數(shù)不需要該媒體處理單元的任何特定信息。后面的下降數(shù)只是間接地與帶寬消耗有關(guān)。
計算平均數(shù)據(jù)傳輸速率可以有多種實施例，圖4和圖5分別給出了兩個實施例。
在圖4中，平均計算單元AV包括計數(shù)器CNT、計時器TIM、延遲線DL和加權(quán)器W以及求和單元∑。計數(shù)器CNT對總線接口OB1發(fā)出的各數(shù)據(jù)傳輸進行計數(shù)。計時器TIM以計時方式將計數(shù)值送給延遲線DL，并且周期性地對計數(shù)器進行復(fù)位。加權(quán)器W與求和單元S計算滑動平均值Sta。
圖5示出了平均計算單元AV的一個更加簡單的實施方式。在這種情況下，用一個加權(quán)因子W對計數(shù)器的輸出進行加權(quán)。儲存在寄存器REG中的平均值Sta用因子(1-W)也進行加權(quán)。將這些加權(quán)值求和，并通過計時器TIM以計時方式周期性地傳送到寄存器中。加權(quán)因子W是0和1之間的一個值，具體取決于所需積分時段的長度。
在圖4和圖5所示的實施方案中，帶寬控制單元計算數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕瑒悠骄礢ta，當(dāng)這個滑動平均值超過允許的平均數(shù)據(jù)速率Stl的時候，阻擋進一步的數(shù)據(jù)傳輸。
在圖6所示的另一個實施例中，帶寬控制單元周期性地啟動對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆e分，如果這個積分值超過根據(jù)允許的平均數(shù)據(jù)速率計算出來的門限值，就阻擋數(shù)據(jù)傳輸。為了這一目的，圖6所示的實施例包括第一計數(shù)器CNT1，用于計算允許的數(shù)據(jù)量NSt；第二計數(shù)器CNT2，用于計算特定時間間隔內(nèi)實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量NRt；比較器CMP，用于比較這些值，如果實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量NRt超過所述允許值，就提供一個控制信號CT，以暫時阻擋數(shù)據(jù)傳輸。第一個計數(shù)器具有一個步長控制器STP，它確定步長，這個步長依賴于允許傳輸一定量數(shù)據(jù)NS的時間段TS的長度以及在流逝的時間t內(nèi)實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量NRt。在每個時間幀TF之后，這兩個計時器都復(fù)位。
下面參考圖7更加詳細地描述圖6所示帶寬控制單元的工作過程。
在步驟S1中，將計數(shù)器CNT1、CNT2都初始化成0。
在步驟S2、S2A、S2B中，步長控制器根據(jù)t的值，計算步長ΔNSt如果t＜＝TS，將步長值計算為ΔNSt=NS-NRtTS-t]]>否則，如果t＞TS，就將步長設(shè)置為0ΔNSt＝0。
在步驟S3中，增加計數(shù)器CNT1、CNT2。
用步長ΔNSt增加第一計數(shù)器CNT1。
用ΔNR增加第二計數(shù)器CNT2，ΔNR表示前一次增加以后傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。
在步驟S4中，比較實際傳輸?shù)淖止?jié)計數(shù)NR是否超過允許的字節(jié)數(shù)NS。
如果是這樣，就在步驟S5產(chǎn)生一個阻擋信號CT，以防止通過帶寬控制單元控制的總線接口的進一步傳輸數(shù)據(jù)。
然后，在步驟S6中檢查流逝的時間t是否小于時間幀的長度TF。時間幀的長度TF可以等于數(shù)據(jù)量NS的計劃傳輸時間TS，但是也可以有一段富余時間Tsl＝TF-TS。通過這種方式，考慮到所需數(shù)據(jù)量NS可能無法在時間段TS結(jié)束之前傳輸完，富余時間Tsl允許在時間幀TF結(jié)束以前傳完該數(shù)據(jù)量。
雖然本發(fā)明的兩個實施例分散地控制裝置的平均總線負荷，但是圖6所示的實施例具有更加均衡地分配總線負荷的附加優(yōu)點。圖8中示出了這一點。如圖所示，帶寬控制單元具有進度表SC1，按照該進度表，數(shù)據(jù)量NS在時間段TS內(nèi)作為均勻的數(shù)據(jù)流傳輸。但是，在t1處出現(xiàn)了一個明顯的延遲，例如，由CPU或者DMA之類的高優(yōu)先級裝置引起。這樣就導(dǎo)致實際傳輸量遠遠小于計劃的傳輸量。在時刻t處，帶寬控制單元計算一個新的進度表SC2，它允許該處理單元在剩余時間TS-t內(nèi)補償間隔t1-t中造成的積壓。通過這種方式，可以防止與總線相連的所有處理單元在總線發(fā)生了大總線負荷以后立即同時試圖補償其積壓。取而代之的是，帶寬控制單元將要補償?shù)臄?shù)據(jù)傳輸在時間上分散開。
不同帶寬控制單元的參數(shù)TS、TF、NS可以有不同的設(shè)置，計算新進度表的頻率也有不同的設(shè)置。
圖9示出一個示例，其中，時間幀TF包括富余時間Tsl。在時刻t3，與進度表SC3相比，實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量TR出現(xiàn)了積壓。雖然在計劃的時間段TS中沒有任何機會來補償該積壓，但是帶寬控制單元在富余時間Tsl中有機會進行補償。在圖示實例中，這種情況發(fā)生在時刻t4以后。
將本發(fā)明應(yīng)用于CPU的時候，特定的考慮同樣適用。這樣的CPU通常以時間復(fù)用組織的方式運行許多任務(wù)。某些任務(wù)比其它任務(wù)需要更大的帶寬。這通常會導(dǎo)致周期性地改變帶寬消耗要求模式，當(dāng)多個具有較高要求的任務(wù)同時運行的時候出現(xiàn)峰值。現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)會給CPU分配最高的優(yōu)先級，使存儲器產(chǎn)生最小的延遲，以避免出現(xiàn)昂貴的休止周期。該現(xiàn)有技術(shù)方法導(dǎo)致很難預(yù)測系統(tǒng)的行為，因為帶寬完全取決于CPU上實際運行的程序。
在這種情況下，應(yīng)用本發(fā)明而不采取特殊措施的時候，CPU僅僅會慢下來，從而在要求消耗最大帶寬的程序運行期間導(dǎo)致額外的休止周期。在許多情形中，這是不必要的。因此，可以將該帶寬控制單元增加到所用CPU中，并如下使用a.一般而言，只要沒有超過物理總線容量，即使超過了平均帶寬消耗，也允許帶寬出現(xiàn)峰值；b.只有在平均帶寬消耗要超過設(shè)置值的情形中，才主動地改變以限制CPU使用的帶寬。
當(dāng)考慮包括CPU以及一個或多個其它媒體處理單元的系統(tǒng)的時候，CPU可以暫時消耗過量的帶寬。以后在這個周期內(nèi)，CPU將使用明顯少得多的帶寬，并且所有其它單元都能夠補償。只要總的平均帶寬保持在可用總線傳輸容量以內(nèi)，整個系統(tǒng)就會讓它自己適應(yīng)各單元的動態(tài)總線負荷，而不需要集中控制。因此，該系統(tǒng)將高總線使用率與保證實時操作結(jié)合起來，同時避免單點控制。
上面結(jié)合優(yōu)選實施例公開了本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認識到在不超出所附權(quán)利要求的保護范圍的前提下，可以對其做出各種修正和改變。因此，應(yīng)將這些實施例視為說明性的，并且，除權(quán)利要求給出的限制之外，不應(yīng)將這些實施例解釋成限制。
權(quán)利要求中的標記并不限制本發(fā)明的保護范圍?！鞍ā币辉~不排除權(quán)利要求中所提及部件以外的其它部件。部件前面的“一個”一詞不排除多個部件。構(gòu)成本發(fā)明一部分的模塊既可以用專用硬件形式來實現(xiàn)，也可以用已編程通用處理器的形式來實現(xiàn)。本發(fā)明寓于每個新的特征或者特征組合。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包括通過一個數(shù)據(jù)通信設(shè)備(BUS)相連的多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備(PU1、PU2、PU3)，至少一個數(shù)據(jù)處理設(shè)備(PU1)有一個帶寬控制單元(CTRL1、CTRL0)，用于控制該數(shù)據(jù)處理設(shè)備在所述數(shù)據(jù)通信設(shè)備(BUS)上的數(shù)據(jù)傳輸速率，如果所述數(shù)據(jù)傳輸超過允許的平均數(shù)據(jù)速率，則所述帶寬控制單元限制所述數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中，所述帶寬控制單元計算所述數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕瑒悠骄?，?dāng)該滑動平均值超過所述允許的平均數(shù)據(jù)速率時，阻擋進一步的數(shù)據(jù)傳輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中，所述帶寬控制單元周期性地啟動對所述數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆e分，如果該積分值超過根據(jù)所述允許的平均數(shù)據(jù)速率計算出的門限值，就阻擋數(shù)據(jù)傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中，所述帶寬控制單元通過在比兩次連續(xù)啟動積分之間的時間段短的時間間隔內(nèi)達到所述允許的平均數(shù)據(jù)速率，來計算所述門限值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中，所述帶寬控制單元在所述積分時段內(nèi)改變所述允許的平均數(shù)據(jù)速率，從而調(diào)整帶寬的暫時短缺。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備具有分開的帶寬控制單元(CTRL1、CTRL0)，用于控制進入數(shù)據(jù)和外出數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?br> 7.一種用于在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括通過一個數(shù)據(jù)通信設(shè)備相連的多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備，該方法基于允許的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，分散地控制處理設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率，以便發(fā)送數(shù)據(jù)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備(PU1、PU2、PU3)，它們能夠通過數(shù)據(jù)通信設(shè)備(BUS)互相發(fā)送數(shù)據(jù)。至少一個數(shù)據(jù)處理設(shè)備(PU1)有一個帶寬控制單元(CTRL1、CTRL0)，用于控制該數(shù)據(jù)處理設(shè)備通過所述數(shù)據(jù)通信設(shè)備(BUS)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。?dāng)該數(shù)據(jù)傳輸超過允許的平均數(shù)據(jù)速率時，該帶寬控制單元限制該數(shù)據(jù)傳輸。
文檔編號G06F9/38GK1856778SQ200480019384
公開日2006年11月1日 申請日期2004年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月7日
發(fā)明者苛內(nèi)利斯·A·維瑟斯, 克里斯蒂安·亨切爾, 亞伯拉函·K·里門施 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司