專利名稱：經(jīng)由較高頻仲裁器的每一循環(huán)進(jìn)行多個(gè)總線仲裁的開關(guān)矩陣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及電子數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，且確切地說，涉及一種高性能總線仲裁系統(tǒng) 和方法。
背景技術(shù)：
功能單元之間的數(shù)據(jù)傳送是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一種常見操作。將程序從磁盤傳送到存儲(chǔ) 器再傳送到處理器、將數(shù)據(jù)從圖形引擎發(fā)送到幀緩沖器再發(fā)送到視頻卡和將輸入從鍵盤 或鼠標(biāo)發(fā)送到處理器均是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送的常見實(shí)例。圖1描繪系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)的簡化圖，所述系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)大體上由標(biāo)號IO指示。系統(tǒng)總 線12將各個(gè)系統(tǒng)單元互連，所述系統(tǒng)總線12可劃分成地址通道、數(shù)據(jù)通道、控制通道 等。例如CPU 14或DMA引擎16的主裝置指示去往或來自從屬裝置(例如存儲(chǔ)器18和 /或輸入/輸出電路20)的跨越總線12的數(shù)據(jù)傳送一一本文中稱為總線事務(wù)。當(dāng)兩個(gè)或兩 個(gè)以上獨(dú)立主裝置14、 16連接到總線12時(shí)，由仲裁器22來控制所述主裝置對總線的存 取。如此項(xiàng)技術(shù)中已知的， 一個(gè)或一個(gè)以上主裝置14、 16斷定針對仲裁器22的總線請 求。仲裁器22監(jiān)視總線12上的活動(dòng)，且當(dāng)總線12變得可用時(shí)，仲裁器22向請求的主 裝置14、 16中的一者發(fā)送總線許可。經(jīng)許可的主裝置14、 16接著可起始在總線12上進(jìn) 行的事務(wù)，例如被引導(dǎo)到一個(gè)或一個(gè)以上從屬裝置18、 20的讀取或?qū)懭胙h(huán)。雖然系統(tǒng)總線IO在將幾個(gè)主裝置14、16與多個(gè)從屬裝置18、 20連接方面工作良好， 但其強(qiáng)加了一次只能有一個(gè)主裝置14、 16可訪問從屬裝置18、 20的限制。在高性能處 理器中，事實(shí)上?？赡苡袃蓚€(gè)或兩個(gè)以上主裝置14、 16希望獨(dú)立地訪問一個(gè)或一個(gè)以上 從屬裝置18、 20。圖2描繪高性能數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，其大體上由標(biāo)號30指示。開關(guān)矩陣32 (也稱為縱 橫開關(guān))將多個(gè)主裝置34互連到多個(gè)從屬裝置36，其中在最一般的情況下，任何主裝 置可訪問任何從屬裝置。舉例來說，圖2描繪主裝置1訪問從屬裝置1，且同時(shí)主裝置2 訪問從屬裝置O。在有些實(shí)施方案中，從屬裝置36中的一者或一者以上可包含兩個(gè)或兩 個(gè)以上地址總線，從而允許一個(gè)以上主裝置34同時(shí)進(jìn)行訪問。對于包括n個(gè)主裝置34和單個(gè)從屬裝置36的總線系統(tǒng)30來說，開關(guān)矩陣32內(nèi)僅
必需一個(gè)仲裁器來對于對從屬裝置36的競爭訪問進(jìn)行仲裁。對于具有n個(gè)主裝置34和 m個(gè)從屬裝置36的nXm縱橫系統(tǒng)30來說，可能實(shí)施一個(gè)到m個(gè)仲裁器。使用m個(gè)仲 裁器將實(shí)現(xiàn)最高性能，其中每個(gè)仲裁器專用于一個(gè)從屬裝置36。如果仲裁器少于m個(gè)(也 就是說，至少一個(gè)仲裁器針對兩個(gè)或兩個(gè)以上從屬裝置36執(zhí)行仲裁)，則性能將降級， 因?yàn)槊總€(gè)仲裁器每次或在任何給定總線循環(huán)內(nèi)僅可針對一個(gè)從屬裝置36進(jìn)行仲裁。然 而，實(shí)施許多仲裁器會(huì)消耗芯片面積、使路由復(fù)雜化并且增加功率消耗。 發(fā)明內(nèi)容根據(jù)一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例，總線中的仲裁器通過以大于總線頻率的仲裁器頻率操 作，而在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中對多個(gè)總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁。在一個(gè)實(shí)施例中， 一種系統(tǒng)包含以總線頻率操作的總線。至少一個(gè)主裝置連接到所 述總線并請求進(jìn)行總線事務(wù)。至少一個(gè)從屬裝置連接到所述總線并從事總線事務(wù)。仲裁 器通過以大于總線頻率的仲裁器頻率操作，而在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中對一個(gè)以上事 務(wù)請求進(jìn)行仲裁。在另一實(shí)施例中， 一種在以總線頻率操作的總線中對多個(gè)總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁的方法包括以大于總線頻率的仲裁器頻率操作仲裁器；并在一個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中對多個(gè)總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)計(jì)算機(jī)總線的功能方框圖。圖2是縱橫總線的功能方框圖。 圖3是縱橫總線仲裁循環(huán)的時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
圖3描繪縱橫矩陣系統(tǒng)30中的代表性總線事務(wù)請求和仲裁的時(shí)序圖。在此實(shí)例中， 總線以10毫微秒的時(shí)鐘循環(huán)以100 MHz的總線頻率操作，且兩個(gè)從屬裝置A和B共用 單個(gè)仲裁器。兩個(gè)從屬裝置MO、 Ml在總線循環(huán)1中同時(shí)發(fā)出對被引導(dǎo)到兩個(gè)從屬裝置 A和B的總線事務(wù)的請求。在具有常規(guī)仲裁器的系統(tǒng)30中，將如虛線所指示在總線循環(huán)2中對從屬裝置A進(jìn)行 仲裁并在總線循環(huán)3中對從屬裝置B進(jìn)行仲裁。仲裁器將如虛線所指示在總線循環(huán)3中 對從屬裝置A發(fā)出請求并在總線循環(huán)4中對從屬裝置B發(fā)出請求。從屬裝置將分別在總 線循環(huán)4和5中確認(rèn)，且主裝置M0和M1可在接收到每個(gè)相應(yīng)從屬裝置確認(rèn)時(shí)繼續(xù)進(jìn)行 總線事務(wù)。
在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中，通過以大于總線頻率的仲裁器頻率操作仲裁器，在一 個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中執(zhí)行多個(gè)仲裁循環(huán)。如圖3的實(shí)線信號中所描繪，仲裁器通過兩 倍于總線頻率的仲裁器頻率運(yùn)行(在此實(shí)施例中)而在總線循環(huán)2中針對從屬裝置A和 B兩者執(zhí)行仲裁。因此，仲裁器能夠在總線循環(huán)3中向從屬裝置A和B兩者發(fā)出請求， 且從屬裝置A和B兩者均可在總線循環(huán)4中確認(rèn)。M0和Ml兩者均可在總線循環(huán)5中 開始總線事務(wù)，其中總線循環(huán)5在M1的情況下比上述情況早整個(gè)循環(huán)，且在圖3中以 虛線所描繪，其中仲裁器以總線頻率操作。類似地，通過以總線頻率的3倍、4倍或其 它倍數(shù)運(yùn)行仲裁器，可在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中對被引導(dǎo)到三個(gè)、四個(gè)或四個(gè)以上的 從屬裝置的請求進(jìn)行仲裁，從而允許各個(gè)總線事務(wù)并行進(jìn)行。在這些實(shí)施例中，單個(gè)仲裁器實(shí)例可并行地仲裁對多個(gè)從屬裝置的多個(gè)總線事務(wù)請 求，而不需要加倍的仲裁邏輯實(shí)例。如本文中所使用，單個(gè)仲裁器實(shí)例包括對被引導(dǎo)到 從屬裝置36的一個(gè)或一個(gè)以上總線事務(wù)請求執(zhí)行仲裁所必需的邏輯和配置信息。通過以 高于總線頻率的仲裁器頻率操作仲裁器，可使用僅一個(gè)仲裁邏輯實(shí)例在單個(gè)總線頻率時(shí) 鐘循環(huán)中對多個(gè)總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁，而不是針對每個(gè)從屬裝置36復(fù)制仲裁邏輯。這 節(jié)省硅面積、降低路由復(fù)雜性并節(jié)省功率，而代價(jià)是產(chǎn)生和路由至少兩個(gè)具有不同頻率 的時(shí)鐘信號。在大多實(shí)施例中，仲裁器頻率將是總線頻率的倍數(shù)，但未必是2M咅(例如，仲裁器 頻率可以是總線頻率的3倍或5倍)。這允許向每個(gè)仲裁操作投入最大量的時(shí)間。然而， 仲裁器頻率是總線頻率的精確倍數(shù)并非限制本文揭示的本發(fā)明。 一般來說，仲裁器頻率 可能僅充分大于總線頻率以允許在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中對至少兩個(gè)總線事務(wù)請求進(jìn) 行仲裁。圖3的時(shí)序圖描繪兩個(gè)主裝置M0、 Ml同時(shí)請求被引導(dǎo)向共用單個(gè)本發(fā)明仲裁器的 兩個(gè)不同從屬裝置36的總線事務(wù)。如果單個(gè)主裝置34同時(shí)請求被引導(dǎo)向共用一個(gè)仲裁 器的兩個(gè)不同從屬裝置36的總線事務(wù)，會(huì)出現(xiàn)相同的時(shí)序關(guān)系。舉例來說，主裝置34 可將讀取事務(wù)引導(dǎo)到一個(gè)從屬裝置36且將寫入事務(wù)引導(dǎo)到另一從屬裝置?；蛘?，主裝置 34可能了解從屬裝置36具有不同的響應(yīng)等待時(shí)間，且了解對相似總線事務(wù)的同時(shí)請求 將不會(huì)在事務(wù)發(fā)生時(shí)導(dǎo)致總線沖突。在另一實(shí)施例中，兩個(gè)或兩個(gè)以上主裝置34可同時(shí)請求進(jìn)行被引導(dǎo)到同一從屬裝置 36的總線事務(wù)。如果從屬裝置36具有足夠的地址總線容量，其可能能夠同時(shí)從事兩個(gè) 或兩個(gè)以上總線事務(wù)。高地址總線容量的一個(gè)實(shí)例是共用通道總線結(jié)構(gòu)。為了節(jié)省硅面
積并降低路由復(fù)雜性，總線30的地址通道功能性可與數(shù)據(jù)傳送通道合并。舉例來說，地 址總線可與寫入數(shù)據(jù)總線共用通道。如果系統(tǒng)具有32位的實(shí)際(硬件)地址空間和128 位的寫入數(shù)據(jù)總線，則將地址和寫入數(shù)據(jù)功能性多路復(fù)用到單個(gè)的128位總線通道允許 在一個(gè)地址傳送循環(huán)期間傳送多達(dá)四個(gè)單獨(dú)地址。在此情況下，多達(dá)四個(gè)主裝置34 (或 者如果一個(gè)或一個(gè)以上主裝置34發(fā)出多個(gè)總線請求則少于四個(gè))可在同一循環(huán)期間請求 總線事務(wù)并發(fā)出地址，其中有兩個(gè)或兩個(gè)以上地址是被引導(dǎo)到同一從屬裝置36。如果從 屬裝置36有能力，則其可接受所有請求并從事多個(gè)同時(shí)的總線事務(wù)。在此實(shí)施例中，單 個(gè)仲裁器可通過以大于總線頻率的仲裁器頻率操作，而在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中對全 部被引導(dǎo)到同一從屬裝置36的多個(gè)總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁。在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中，仲裁器頻率可能是可變的。當(dāng)只有一個(gè)總線事務(wù)請求 未完成時(shí)，仲裁器頻率可等于總線頻率。在此實(shí)施例中，仲裁器與常規(guī)仲裁器一樣，每 個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)執(zhí)行一個(gè)仲裁。這會(huì)比以高于總線的頻率操作仲裁器節(jié)省功率，此 時(shí)以高于總線的頻率操作仲裁器并不提供性能益處。在一個(gè)實(shí)施例中，對仲裁器頻率作出預(yù)測。所述預(yù)測可基于(例如)近來的總線活 動(dòng)。在一個(gè)或一個(gè)以上主裝置34正發(fā)出多個(gè)總線事務(wù)請求的時(shí)期期間，可針對多個(gè)仲裁 (不論是從不同主裝置34到同一從屬裝置36還是到共用一個(gè)仲裁器的不同從屬裝置36) 的可能性提高仲裁器頻率。舉例來說，在一個(gè)實(shí)施例中，可存儲(chǔ)在前n個(gè)總線循環(huán)期間 待決的總線事務(wù)請求的數(shù)目，并對其進(jìn)行檢查，以預(yù)測一個(gè)或一個(gè)以上隨后的總線循環(huán) 的仲裁頻率。在另一實(shí)施例中，多個(gè)待決總線事務(wù)請求的事實(shí)可能會(huì)使飽和計(jì)數(shù)器遞增， 這在處理器分支預(yù)測實(shí)施方案中是眾所周知的。不具有多個(gè)待決總線事務(wù)請求的延長周 期可能會(huì)使計(jì)數(shù)器遞減。計(jì)數(shù)器的MSB可用作對是否應(yīng)使用較高仲裁器頻率的預(yù)測。所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，可使用各種技術(shù)來預(yù)測仲裁器頻率。在一個(gè)實(shí)施例中，仲裁器可利用循序仲裁的串行性質(zhì)通過考慮先前仲裁的結(jié)果來提 高"后續(xù)"仲裁的"智能性"。舉例來說，如果第一仲裁操作許可主裝置34對從屬裝置 36的寫入請求，那么在同一總線頻率時(shí)鐘循環(huán)期間執(zhí)行的后續(xù)仲裁可拒絕許可另一主裝 置34對同一從屬裝置36的寫入請求(原本會(huì)許可)，以防止在從屬裝置36處出現(xiàn)寫入 數(shù)據(jù)沖突。在一個(gè)實(shí)施例中，仲裁器可包含待決的總線狀態(tài)寄存器，例如給從每個(gè)主裝置34到 每個(gè)從屬裝置36的讀取和寫入事務(wù)的每一可能組合分配一個(gè)位。仲裁器作出的早期仲裁 決策可設(shè)定相關(guān)的待決總線狀態(tài)位，且仲裁器中的邏輯可利用這些仲裁決策的結(jié)果(例
如，更新的待決總線狀態(tài))來更加智能地在同一總線頻率時(shí)鐘循環(huán)內(nèi)作出后續(xù)的仲裁決 策。這可通過優(yōu)化總線流量并避免沖突和瓶頸而實(shí)現(xiàn)較高的性能(超越每個(gè)總線頻率時(shí) 鐘循環(huán)多個(gè)仲裁的性能改進(jìn))。通過以高于總線頻率的仲裁器頻率運(yùn)行仲裁器而在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中執(zhí)行多 個(gè)總線事務(wù)請求仲裁，可通過允許并行仲裁而提高性能，而無需付出具有多個(gè)仲裁器邏 輯實(shí)例的代價(jià)。多個(gè)仲裁的串行性質(zhì)允許進(jìn)行更加智能的仲裁決策，因?yàn)橐院蟮闹俨貌?作以先前仲裁決策的操作作為輸入。為了節(jié)省功率，可在沒有多個(gè)請求未完成時(shí)將仲裁 頻率壓制回總線頻率。為了平衡低總線利用率期間的功率節(jié)省與高總線利用率期間的改 進(jìn)性能，可對仲裁器頻率進(jìn)行預(yù)測。雖然已在本文就本發(fā)明的特定特征、方面和實(shí)施例描述了本發(fā)明，但將容易了解， 在本發(fā)明的廣泛范圍內(nèi)可能有許多更改、修改和其它實(shí)施例，且相應(yīng)地，將所有更改、 修改和實(shí)施例視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，當(dāng)前實(shí)施例在所有方面均應(yīng)理解為說明性 的而不是限制性的，且期望所有屬于所附權(quán)利要求書的含義和均等范圍內(nèi)的變化均包含 在其中。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，其包括總線，其以總線頻率操作；至少一個(gè)主裝置，其連接到所述總線并請求總線事務(wù)；至少一個(gè)從屬裝置，其連接到所述總線并從事總線事務(wù)；以及仲裁器，其通過以大于所述總線頻率的仲裁器頻率操作而在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中對一個(gè)以上事務(wù)請求進(jìn)行仲裁。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述仲裁器包括單個(gè)仲裁邏輯示例。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述仲裁器頻率是所述總線頻率的倍數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述從屬裝置至少包含至少兩個(gè)地址路徑； 兩個(gè)主裝置同時(shí)向所述從屬裝置請求總線事務(wù)；且所述仲裁器在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中發(fā)出對所述兩個(gè)主裝置的許可。
5. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述主裝置同時(shí)向兩個(gè)從屬裝置請求總線事務(wù)；且所述仲裁器在單個(gè)總線頻率總線循環(huán)中針對所述兩個(gè)從屬裝置發(fā)出對所述主裝 置的許可。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，如果斷定不多于一個(gè)總線事務(wù)請求，則所述仲 裁器頻率等于所述總線頻率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中響應(yīng)于總線事務(wù)請求活動(dòng)來預(yù)測所述仲裁器頻率。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述仲裁器在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中循序地對 至少第一和第二總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁，且其中對所述第二請求的仲裁包含對所述第一請求的仲裁的結(jié)果。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述仲裁器維持待決總線事務(wù)的狀態(tài)。
10. —種在以總線頻率操作的總線中對多個(gè)總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁的方法，其包括以大于所述總線頻率的仲裁器頻率操作仲裁器，以及 在一個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中對多個(gè)總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述仲裁器頻率是所述總線頻率的倍數(shù)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述仲裁器在每個(gè)仲裁器頻率時(shí)鐘循環(huán)中對總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述仲裁器在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中循序地 對至少第一和第二總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁，且其中對所述第二請求的仲裁包含對所 述第一請求的仲裁的結(jié)果。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述仲裁器維持待決總線事務(wù)的狀態(tài)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中所述仲裁器頻率是可變的。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中基于總線活動(dòng)預(yù)測所述仲裁器頻率。
17. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中如果只有一個(gè)總線請求待決，則所述仲裁器頻 率等于所述總線頻率。
全文摘要
開關(guān)矩陣系統(tǒng)中的一種仲裁器通過以大于總線頻率的頻率操作而在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中對多個(gè)總線事務(wù)請求進(jìn)行仲裁。這允許用一個(gè)仲裁邏輯實(shí)例在單個(gè)總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中進(jìn)行兩個(gè)或兩個(gè)以上仲裁操作。所述仲裁器可針對兩個(gè)或兩個(gè)以上從屬裝置進(jìn)行仲裁，或者可對被引導(dǎo)到同一從屬裝置的多個(gè)主裝置請求進(jìn)行仲裁。仲裁器頻率可以是可變的，且可基于例如先前的總線活動(dòng)進(jìn)行預(yù)測。如果只有一個(gè)總線事務(wù)請求待決，則所述仲裁器頻率可等于所述總線頻率?？衫迷缙谥俨脹Q策的結(jié)果在同一總線頻率時(shí)鐘循環(huán)中更加智能地作出后續(xù)的仲裁決策。
文檔編號G06F13/40GK101160572SQ200680011984
公開日2008年4月9日 申請日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月24日
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