專利名稱：一種片上總線仲裁器及處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種片上總線仲裁器，具體為一種基于博弈論的片上總線 仲裁器。
背景技術(shù)：
本發(fā)明符合Wishbone接口標(biāo)準(zhǔn)。Wishbone SoC接口結(jié)構(gòu)是基于半導(dǎo) 體IP核的重用設(shè)計，而提出的一種片上總線解決方案。它定義了IP核之 間的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸，為IP核的連接提供一個通用的接口，從而有效地提 高了系統(tǒng)的便攜性和可靠性，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下， 每個IP核各自的運(yùn)作相對獨(dú)立，外部則通過Wishbone的接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)以 及信息的交換。Wishbone使用主/從部件的架構(gòu)。每次的數(shù)據(jù)傳輸由主部 件發(fā)起通信，從部件負(fù)責(zé)接受通信。
隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，同一芯片上集成了越來越多的功能模 塊，芯片內(nèi)部各模塊之間通過總線方式相互連接和通信。因此，片上總線 仲裁架構(gòu)作為影響片上通信效率的重要因素，也成為制約系統(tǒng)性能提高的 瓶頸。如何設(shè)計一款高效的片上總線仲裁器件，解決主設(shè)備對總線資源的 競爭沖突，成為了該問題的關(guān)鍵。設(shè)計一款高效的總線仲裁器，首先必須 設(shè)計出來一種高效的仲裁算法，進(jìn)而對其硬件實(shí)現(xiàn)便可設(shè)計出相應(yīng)的仲裁 器件。傳統(tǒng)仲裁器的內(nèi)部算法主要包括以下幾種
(1) 固定優(yōu)先級仲裁算法
固定優(yōu)先級仲裁算法大量應(yīng)用于現(xiàn)代總線中。在該仲裁方法中每個處 理器訪問共享資源的優(yōu)先級是固定的，傳輸任務(wù)較重的主設(shè)備優(yōu)先級相對 較高，如果幾個總線主設(shè)備同時申請總線使用權(quán)，優(yōu)先級高的設(shè)備將獲取 控制權(quán)。這種仲裁算法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計簡單，面積消耗小。但是它缺乏對 總線資源分配的控制，而且如果高優(yōu)先級的主設(shè)備頻繁發(fā)出請求，低優(yōu)先 級的主設(shè)備等待時間過長，容易造成"饑餓"現(xiàn)象。
(2) 輪換優(yōu)先級的仲裁算法輪換優(yōu)先級的仲裁算法中，各主設(shè)備的優(yōu)先級并不是固定的，而是按 順序輪換的。該算法與時分復(fù)用結(jié)合，可以演化為基于時間片的輪換優(yōu)先 級仲裁算法。輪換優(yōu)先級的仲裁算法的主要缺陷在于該算法下每個主設(shè)備 的獲得總線的概率是等同的，這樣無法滿足優(yōu)先級要求高的主設(shè)備的性 能，從而影響整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
(3) 基于統(tǒng)計彩票的仲裁算法
由于以上兩種算法下的每個主設(shè)備的地位是平等的，沒有"饑餓"產(chǎn) 生，但這對總線資源使用優(yōu)先級要求高的主設(shè)備卻是不利的。而基于統(tǒng)計 彩票的仲裁算法的思想源于彩票的抽獎系統(tǒng)。該算法下的仲裁器產(chǎn)生一個 偽隨機(jī)數(shù)，而與該偽隨機(jī)數(shù)匹配的彩票的競爭者將獲得總線的使用權(quán)。但 該算法的缺點(diǎn)為硬件設(shè)計較為復(fù)雜，用于歷史記錄的寄存器達(dá)2*M*M個(M 為競爭者數(shù)目)。
(4) 快速并行輪換算法 快速并行輪換算法在硬件的實(shí)現(xiàn)上得到改進(jìn)，利用二叉樹的搜索進(jìn)行
仲裁，在眾多競爭者爭用的情況下的能加快原本算法的執(zhí)行速度。但由于 它本質(zhì)上還是輪換算法，所以它也有著輪換算法的缺點(diǎn)，即無法滿足優(yōu)先 級要求高的主設(shè)備性能。
由于目前的總線仲裁算法還存在比較多的不足，基于對以上幾種算法 的優(yōu)缺點(diǎn)的考慮，本發(fā)明提出了一種全新的總線仲裁算法思路并將其硬件 實(shí)現(xiàn)，設(shè)計出一款高效的總線仲裁器件，以提高整個系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需解決的問題是提供一種新型的總線仲裁器，該仲裁器能夠有 效的提高整個系統(tǒng)的運(yùn)行速度，減少各個主設(shè)備的等待時間，從而提高整 個系統(tǒng)的性能。
為解決上述技術(shù)術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種片上總線仲
裁器，包含效用計算模塊A3，效用計算模塊A3分別與主設(shè)備獲得總線次 數(shù)統(tǒng)計模塊A2 、主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊A1 、比較授權(quán)模塊A4相 連；比較授權(quán)模塊A4的指令輸出端與主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2和主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊Al的指令輸入端相連。所述的仲裁器件采 用wishbone接口標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明還提供了上述總線仲裁器的處理方法，步驟為(201)主設(shè)備 等待總線周期統(tǒng)計模塊Al統(tǒng)計主設(shè)備i當(dāng)前已等待的周期數(shù)；(202)主設(shè) 備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2統(tǒng)計當(dāng)前主設(shè)備i過去已獲得總線的次數(shù)； (203)效用計算器是根據(jù)效用函數(shù)進(jìn)行計算，得出每個主設(shè)備i當(dāng)前的效 用；(204)比較輸出器用于對比當(dāng)前各主設(shè)備的效用，輸出授權(quán)設(shè)備號。 所述的處理理論是博弈論，其內(nèi)部采用是博弈論的片上總線仲裁算法。
上述總線仲裁器的處理方法采用基于博弈論的片上總線仲裁算法，下 面對該算法進(jìn)行介紹。首先需根據(jù)博弈論的基本思想進(jìn)行模型建立?？紤] 仲裁實(shí)質(zhì)上是一個解決競爭和沖突的過程，而博穽論是矛盾和合作的規(guī)范 研究，是系統(tǒng)研究決策主體的行為，發(fā)生直接和相互作用情況下的決策以 及這種決策均衡的理論，在這一點(diǎn)上，兩者的歸宿點(diǎn)是一致的，同是為了 解決競爭。因此，爭用總線的主設(shè)備就如博弈論中所提及的決策主體，而 仲裁算法就如博弈論當(dāng)中的策略集合。而針對上述的架構(gòu)，眾多主設(shè)備爭 用總線資源可引申為多人非合作博弈，同時引入系統(tǒng)的總體效用函數(shù)作為 算法結(jié)果優(yōu)劣的評價指標(biāo)。下面針對這個思想展開討論。
(一) 基于博弈論的片上總線仲裁算法描述
針對以上的假設(shè)和對比，基于博弈論的片上總線仲裁算法描述如下
仲裁機(jī)制下的每個總線資源競爭者(主設(shè)備)好比博弈論當(dāng)中的參與者(決 策主體)，而仲裁器則通過一定的策略，使競爭者得到總線資源的授權(quán)， 系統(tǒng)達(dá)到平衡。而此處仲裁器所使用的策略就是仲裁算法，系統(tǒng)所達(dá)到的 平衡則是納什均衡。如何在博弈論的基礎(chǔ)上建立一種較優(yōu)的仲裁算法是本 文所要解決的問題。
(二) 博弈論下的片上總線仲裁建模 片上總線仲裁競爭最終要求系統(tǒng)總線資源最優(yōu)化。而該問題是由資源
競爭者的獲權(quán)組合所決定的。因此該最優(yōu)化組合問題可以映射為博穽論下 的多人非合作博弈。下面的兩個定義和一個定理是建立該算法數(shù)學(xué)模型的200910192587.X
理論基礎(chǔ)。
定義l:片上總線仲裁的多人非合作博弈
在片上總線仲裁中，每個參與者(主設(shè)備)都在不知道對方策略的情 況下，做出自己的選擇，務(wù)求達(dá)到獲得占用總線的權(quán)力。 定義2:納什均衡
在博弈G二 [(X丄{ (Ui)n中，如果對每個參與者i，《是給定其他參
與者選擇的策略組合為^二情況下的最優(yōu)策略，即對每個參與者i，有
";( ) s (;^ ，《),G則稱i' -，《)為博穽的 一 個納什均衡 (Nash equilibrium^當(dāng)中",.( )代表策略jc ; 、 jc:,.下第i個參與者 的效用。
定理1:每一個有限n人非合作博弈必有一個均衡點(diǎn)。 由于片上總線仲裁的主設(shè)備數(shù)量是有限的，根據(jù)定理l可得，該系統(tǒng)
中存在一個納什均衡。下面本發(fā)明將建立一個博弈論下的效用體系，為系
統(tǒng)尋找納什均衡。 '
為建立系統(tǒng)的效用模型，首先提出下面幾個假設(shè)
(1) 有限集合N。
(2) 對于每個資源競爭者z'EAT ，有一個有限的非空策略集合Xi與
之相對應(yīng)。
(3) 對于每個!'EiV ,都存在一個效用函數(shù)(u)。
(4) 系統(tǒng)的效用函數(shù)為各個Ui的加權(quán)總和。
基于以上假設(shè)，下一步是建立各個博弈參與者的效用函數(shù)。在仲裁模 型下，影響當(dāng)前設(shè)備獲得總線的因素有過去獲得總線的次數(shù)，當(dāng)前已等待 周期數(shù)?；谶@兩項影響因子，此處可假設(shè)每個參與者的效用函數(shù)如下
式中， ；代表已經(jīng)等待了的周期數(shù)，g,.代表本次仲裁前得到總線的 次數(shù)，^，",分別為兩項影響因子的系數(shù)，。則為參與者的修正常數(shù)。
本效用模型的建立是基于wishbone總線，引入博弈論而得到的，因此它 具有一般性?；赪ishbone總線的系統(tǒng)連接圖可見附圖1。整體的效用取決于個體效用，此處把各個參與者的效用進(jìn)行加權(quán)可得 到系統(tǒng)效用的公式，如下^ w w v
Ct/1 = ，-》& + gc,.)=》
此處在Gu加了一個衛(wèi)標(biāo)i。 f表示，系r統(tǒng)效用'6u不是當(dāng)前的，而是
把當(dāng)前總線授權(quán)出去后的系統(tǒng)效用GU1，即下一次總線授權(quán)判斷前的系統(tǒng) 效用。
由于每個參與者的效用函數(shù)有三個參數(shù)待定，為了尋找這些參數(shù)的最 優(yōu)解，本發(fā)明利用有效的算法在計算機(jī)上面進(jìn)行仿真尋找最優(yōu)的納什均衡 解，最終達(dá)到約束條件下的性能指標(biāo)。而尋優(yōu)所得的參數(shù)，可作為硬件實(shí) 現(xiàn)模塊時所需確定的參數(shù)。
.與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述基于博弈論的總線仲裁算法的硬件實(shí)現(xiàn)方式 為在硬件電路設(shè)計上，首先按照上面尋優(yōu)結(jié)果確定效用函數(shù)的參數(shù)。按
照上面對該模塊的分析，下面可以把它具體分為四個部分
(201) gnt—times計算模塊(主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2);
(202) wait—times計算模塊(主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊Al);
(203) 系統(tǒng)效用計算模塊A3;
(204) 比較授權(quán)模塊A4;
前兩個計算模塊，顧名思義就是要對gnt—times和wait—times進(jìn)行 統(tǒng)計，把當(dāng)前的統(tǒng)計結(jié)果輸入到效用計算器中。效用計算器根據(jù)當(dāng)前值， 計算出每個參數(shù)的效用，并輸出。 本發(fā)明主要具有兩個優(yōu)點(diǎn)
(1) 與傳統(tǒng)的仲裁器相比，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，減少了各個主設(shè) 備的等待時間，從而有效的緩解片上總線爭用出現(xiàn)的"饑餓"現(xiàn)象；
(2) 結(jié)合博弈論的思考方法，使得結(jié)果更加貼近片上仲裁的現(xiàn)實(shí)；能 與基于彩票統(tǒng)計的仲裁算法互補(bǔ)。


附圖l是片上總線仲裁器的附圖2是基于wishbone總線的總線仲裁器系統(tǒng)連接圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的主旨是設(shè)計一個新的片上總線仲裁器件來減少各個主設(shè)備 的等待時間，提高系統(tǒng)的性能。下面結(jié)合實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)說明， 以便對本發(fā)明方法的技術(shù)特征及優(yōu)點(diǎn)能有更深入的詮釋。
一種基于博弈論的片上總線仲裁算法，具體實(shí)施的步驟如下
(1) 將片上總線仲裁競爭最終要求系統(tǒng)總線資源最優(yōu)化的問題映射為 博弈論下的多人非合作博弈；
(2) 建立各個博弈參與者(即主設(shè)備)的效用函數(shù)；
(3) 確定整個系統(tǒng)的效用函數(shù)；
(4) 以片上系統(tǒng)的性能指標(biāo)為約束條件，利用尋優(yōu)算法尋找納什均衡， 從而確定效用函數(shù)中的參數(shù)；
(5) 根據(jù)系統(tǒng)的效用函數(shù)進(jìn)行硬件設(shè)計。
下面將參照一個具體實(shí)例來更詳盡的說明本發(fā)明的執(zhí)行步驟。工作于 五個主設(shè)備共享的wishbone總線的一種本發(fā)明所述的基于博穽論的片上 總線仲裁器，見附圖l， 一種片上總線仲裁器，包含效用計算模塊A3，效 用計算模塊A3分別與主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2 (Grit—times )、 主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊A1 ( Wait—times)、比較授權(quán)模塊A4相連； 比較授權(quán)模塊A4的指令輸出端與主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2和主設(shè) 備等待總線周期統(tǒng)計模塊A1的指令輸入端相連。。其中各個功能模塊的管 腳分別是時鐘信號CL0CK、復(fù)位信號Reset、總線請求信號Reqst [4…0]、 總線授權(quán)信號Gnt—out [4…0]、各個設(shè)備的獲得總線次數(shù) Gts—1[15…0]…Gts一5[15…0]、各個設(shè)備的總線等待周期Wts—1 [3…0] Wts一1[3…0]、各個設(shè)備獲得總線的效用值班U—1[15…0]…U—5[15…0]
(201) Gnt一times統(tǒng)計計算器負(fù)責(zé)統(tǒng)計每個主設(shè)備歷史上獲取總線授 權(quán)的次數(shù)，這個數(shù)目隨著仲裁的次數(shù)增加逐漸增大，本發(fā)明設(shè)計在 Gnt—times達(dá)到一定的數(shù)值的時候進(jìn)行硬件清零，每個主設(shè)備的總線仲裁 次數(shù)都?xì)w零回到最初的仲裁狀態(tài)。
(202) Wait一times統(tǒng)計計算器負(fù)責(zé)統(tǒng)計每個主設(shè)備等到總線的周期時
8長，每個主設(shè)備發(fā)送總線請求的時候，Wait—times統(tǒng)計計算器都會對該設(shè) 備所等待的周期數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。從公式"i = 、w' — + 。可以看出主設(shè)備所等待的總線周期越長，授權(quán)該設(shè)備所獲的效用越大，符合系統(tǒng) 的實(shí)時性要求。Wait—times統(tǒng)計計算器計算的是從某主設(shè)備發(fā)總線請求到 該主設(shè)備獲得總線授權(quán)的前一個時鐘周期的時長， 一旦該主設(shè)備獲得了總 線授權(quán)，Wait—times統(tǒng)計計算器對該設(shè)備的等待時間計數(shù)清零。(203) 效用計算器是根據(jù)Gnt—times統(tǒng)計計算器和Wait—times統(tǒng)計計 算器的統(tǒng)計結(jié)果，按照公式"''=、'w'2 _ + 。計算每個公式的 效用值，并輸出效用值作為下一模塊的輸入。(204) 比較授權(quán)器根據(jù)效用計算器所給的每個主設(shè)備的效用值進(jìn)行比較授權(quán)。發(fā)送總線允許信號給效用值最高的主設(shè)備，完成總線的仲裁。上述例子中給出了本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
，但是上述例子中仲裁 器內(nèi)部模塊的選擇跟實(shí)現(xiàn)可以有多種不同的方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根 據(jù)實(shí)際情況選擇合適的實(shí)現(xiàn)方式?？傊?，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明 的基于博弈論的片上總線仲裁器進(jìn)行的各種改動和變形而不脫離本發(fā)明 的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求 及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種片上總線仲裁器，包含效用計算模塊A3，其特征在于效用計算模塊A3分別與主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2、主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊A1、比較授權(quán)模塊A4相連；比較授權(quán)模塊A4的指令輸出端與主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2和主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊A1的指令輸入端相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上總線仲裁器，其特征在于所述的仲 裁器件采用wishbone接口標(biāo)準(zhǔn)。
3、 一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的總線仲裁器的處理方法，步驟為(201) 主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊Al統(tǒng)計主設(shè)備i當(dāng)前己等待的周期數(shù)；(202) 主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2統(tǒng)計當(dāng)前主設(shè)備i過去已獲得總線的次數(shù)； ，(203) 效用計算器是根據(jù)效用函數(shù)進(jìn)行計算，得出每個主設(shè)備i當(dāng)前 的效用；(204) 比較輸出器用于對比當(dāng)前各主設(shè)備的效用，輸出授權(quán)設(shè)備號。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的處理方法，其特征在于所述的處理理論 是博弈論，其內(nèi)部采用基于博弈論的片上總線仲裁算法。
全文摘要
一種片上總線仲裁器，包含效用計算模塊A3，效用計算模塊A3分別與主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2、主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊A1、比較授權(quán)模塊A4相連。比較授權(quán)模塊A4的指令輸出端與主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2和主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊A1的指令輸入端相連。主設(shè)備獲得總線次數(shù)統(tǒng)計模塊A2用于統(tǒng)計主設(shè)備歷史上所獲得總線次數(shù)。主設(shè)備等待總線周期統(tǒng)計模塊A1用于統(tǒng)計主設(shè)備當(dāng)前用于等待總線的周期數(shù)。系統(tǒng)效用計算模塊A3用于計算整個系統(tǒng)的效用值。比較授權(quán)模塊A4用于分配給各個主設(shè)備的總線允許信號。本發(fā)明硬件設(shè)計簡單，減少了各處理器的總線等待時間，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度和整體性能。
文檔編號G06F13/36GK101667164SQ20091019258
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者凌國俊, 凌紫皓, 黃以華 申請人:黃以華