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PCI總線仲裁器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要基于的器件的總線仲裁器設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)仲裁器的編程,并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)總線的仲裁進(jìn)行了論述。關(guān)鍵詞仲裁器,仿真總線仲裁器通常是集成在芯片組中。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深入,尤其是嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展,集成的仲裁器難以滿足某些場(chǎng)合的應(yīng)用。而采用技術(shù)實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立的總線仲裁器,則較好的適應(yīng)了這方面的需求。一總線仲裁機(jī)制的仲裁是基于設(shè)備訪問(wèn),而不是基于時(shí)間分配的。在任一時(shí)刻,總線上的一個(gè)主設(shè)備要想獲得對(duì)總線的控制權(quán),就必須發(fā)出它的請(qǐng)求信號(hào),如果此刻該設(shè)備有權(quán)控制總線,總線仲裁器就使該設(shè)備的總線占用允許信號(hào)有效,進(jìn)而獲得總線的使用權(quán)。當(dāng)有多個(gè)主設(shè)備同時(shí)發(fā)出總線控制請(qǐng)求時(shí),就必須由仲裁器根據(jù)一定的算法判定,當(dāng)前應(yīng)該由哪個(gè)主設(shè)備獲得控制權(quán)。二、仲裁算法常用的仲裁算法有公平算法、循環(huán)算法等。本仲裁器設(shè)計(jì)采用的是循環(huán)算法,設(shè)備的優(yōu)先級(jí)預(yù)先設(shè)定。目前的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)設(shè)備請(qǐng)求的仲裁,各設(shè)備優(yōu)先級(jí)由高到低安排為設(shè)備0設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3。系統(tǒng)啟動(dòng)伊始,沒(méi)有設(shè)備使用總線,也沒(méi)有設(shè)備請(qǐng)求使用總線,仲裁器總是設(shè)定設(shè)備0擁有總線控制權(quán),即將總線??坑谠O(shè)備0。此時(shí)設(shè)備0的是有效的。而在此之后,仲裁器總是指定總線的最后一個(gè)使用者為總線的??吭O(shè)備。當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備提出擁有總線使用權(quán)的請(qǐng)求時(shí),仲裁器將按照事先安排的設(shè)備優(yōu)先級(jí)順序逐一查詢。對(duì)于只有一個(gè)設(shè)備請(qǐng)求的情況,該設(shè)備的請(qǐng)求將會(huì)馬上得到響應(yīng);如果多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求時(shí),仲裁器裁定首先響應(yīng)優(yōu)先等級(jí)高的設(shè)備的請(qǐng)求,當(dāng)此設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸交出總線使用權(quán)后,再由優(yōu)先等級(jí)低的設(shè)備使用總線。示意框圖見(jiàn)圖2。如果一個(gè)設(shè)備已獲得總線使用權(quán)并且正在進(jìn)行地址、數(shù)據(jù)傳輸時(shí),比它優(yōu)先級(jí)別高的設(shè)備也發(fā)出了占用請(qǐng)求,仲裁器將會(huì)撤銷優(yōu)先級(jí)別低的設(shè)備的總線占用信號(hào),并把總線使用權(quán)交給優(yōu)先級(jí)別高的設(shè)備,同時(shí)還要確保在任一時(shí)刻不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)設(shè)備同時(shí)占用總線的情況。具體見(jiàn)仿真分析。三、編程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)使用語(yǔ)言,在100上編譯通過(guò),并進(jìn)行了仿真。1仲裁器信號(hào)定義_-輸入-時(shí)鐘_-復(fù)位信號(hào)30-總線占用請(qǐng)求信號(hào)-數(shù)據(jù)交易的啟動(dòng)或開(kāi)始,主設(shè)備發(fā)出-交易數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好,主設(shè)備發(fā)出-輸出&;30-總線占用允許信號(hào)和決定了總線的狀態(tài),只要兩個(gè)信號(hào)中的一個(gè)有效,就表明總線上有數(shù)據(jù)通過(guò),總線處于忙狀態(tài);當(dāng)兩個(gè)信號(hào)都無(wú)效時(shí),則總線處于空閑狀態(tài)。2仲裁器狀態(tài)機(jī)定義_2,1,0_0=0,-0#有效,設(shè)備0擁有總線使用權(quán),總線空閑_0=1,-0#有效,數(shù)據(jù)在總線上傳輸,總線處于忙狀態(tài)_1=2,-以下類同_1=3,_2=4,_2=5,_3=6,_3=7;3仲裁的實(shí)現(xiàn)由于采用循環(huán)算法,對(duì)每一個(gè)設(shè)備而言狀態(tài)的變換都是相同的,下面僅以設(shè)備0的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為例_0=!#!#&4!11=;_=_1;!22=;_=_2;!33=;_=_3;0=;&;_=_0;0=;_=_0;_0=0=;&_=_0;_=_0;為了避免線上和線上出現(xiàn)時(shí)序競(jìng)爭(zhēng),一個(gè)設(shè)備的信號(hào)有效和另一個(gè)設(shè)備的的撤銷,如果不是在總線空閑狀態(tài),則兩者之間至少要有一個(gè)時(shí)鐘的延遲。設(shè)計(jì)中,將每個(gè)設(shè)備占用總線的狀態(tài)分為兩部分,_總線空閑和_總線忙;狀態(tài)機(jī)不能從一個(gè)設(shè)備的_狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到另一個(gè)設(shè)備的_狀態(tài),中間必須經(jīng)過(guò)至少一個(gè)時(shí)鐘的_狀態(tài)的銜接,這樣就避免了總線上競(jìng)爭(zhēng)的出現(xiàn)。代碼中,為一5位計(jì)數(shù)器,對(duì)時(shí)鐘個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),用來(lái)判別設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)后是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)16個(gè)時(shí)鐘,即40=10000占據(jù)了總線,啟動(dòng)了數(shù)據(jù)的傳輸;如果超時(shí),則撤銷該設(shè)備的請(qǐng)求信號(hào),并按預(yù)設(shè)的優(yōu)先級(jí)順序,對(duì)其余設(shè)備總線使用權(quán)進(jìn)行新一輪的裁定。計(jì)數(shù)器的編程實(shí)現(xiàn)4#0&1&2&3=0;&=+1;=0;四、仿真分析1單一設(shè)備總線請(qǐng)求情況系統(tǒng)初始化后自動(dòng)將總線停靠于設(shè)備0上,總線處于空閑狀態(tài),、均為高電平。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是,仲裁所用的控制信號(hào)均在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿采樣而得。如圖3所示,設(shè)備2發(fā)出總線占用信號(hào),仲裁器在時(shí)鐘上升沿處采樣到該信號(hào),并開(kāi)始啟動(dòng)計(jì)數(shù),此時(shí)的、為高電平,設(shè)備0仍然擁有總線使用權(quán);隨后設(shè)備2驅(qū)動(dòng)使得和有效,在時(shí)鐘上升沿處,仲裁器采樣到和,計(jì)數(shù)器清零,使設(shè)備2的2信號(hào)有效,從而占用總線,設(shè)備把地址、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到總線上,總線處于忙狀態(tài)。之后,設(shè)備2撤銷其2信號(hào),放棄對(duì)總線的占用;接著、信號(hào)相繼無(wú)效,表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瓿桑偩€變?yōu)榭臻e,仲裁器在處采樣后,將總線??吭谠O(shè)備2上。2多個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求總線使用權(quán)以兩個(gè)設(shè)備為例設(shè)備3首先發(fā)出請(qǐng)求信號(hào),仲裁器在時(shí)鐘處采樣后,計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),此時(shí)總線仍然為設(shè)備0占用著;在時(shí)鐘處的采樣,檢測(cè)到有效,表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始,仲裁器使得3信號(hào)有效,設(shè)備3獲得總線所有權(quán);在隨后的一個(gè)時(shí)鐘上升沿,仲裁器采樣到設(shè)備2的總線請(qǐng)求信號(hào),此時(shí)由于、依然有效,表明數(shù)據(jù)傳輸正在進(jìn)行中,必須等當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸完成后,設(shè)備2才能占用總線進(jìn)行自己的數(shù)據(jù)傳輸,此時(shí)仲裁器隱含設(shè)定設(shè)備2擁有總線使用權(quán)。設(shè)備3在時(shí)鐘之前使得、無(wú)效,總線進(jìn)入空閑狀態(tài),??吭谠O(shè)備3上。設(shè)備2檢測(cè)到總線空閑,驅(qū)動(dòng)自己的、信號(hào),仲裁器在時(shí)鐘處采樣到有效的、信號(hào)后,使2有效,設(shè)備2占據(jù)總線,開(kāi)始數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)備2使用完總線后,使總線回到空閑狀態(tài),??吭谠O(shè)備2上;設(shè)備3檢測(cè)到總線空閑,再次驅(qū)動(dòng)、有效,從而再次獲得總線使用權(quán)時(shí)鐘上升沿處。所有傳輸完成后,總線將??吭谠O(shè)備3上。值得一提的是,如果設(shè)備3在被迫交出總線前不能完成所有數(shù)據(jù)的傳輸,它必須使自己的3信號(hào)持續(xù)有效,這樣在設(shè)備2用完總線后,仲裁器能將使用權(quán)交回,從而完成剩余數(shù)據(jù)的傳輸。圖5為設(shè)備獲得總線使用權(quán),在設(shè)
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