摘 要： 提出一種基于搶占閾值的最小空閑時間優(yōu)先服務(wù)的總線仲裁算法。主設(shè)備總線服務(wù)請求的空閑時間越短，獲得總線服務(wù)就越快，引入搶占閾值降低了總線服務(wù)頻繁切換造成的顛簸現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明，該算法的MDP比常見的算法平均減少了43.8%,滿足了各主設(shè)備總線服務(wù)請求的強實時要求。
關(guān)鍵詞： 片上總線；仲裁算法；最小空閑時間優(yōu)先；搶占閾值；截止期錯失率
對于包含多主設(shè)備的片上系統(tǒng)，采用共享總線的結(jié)構(gòu)具有實現(xiàn)簡單和硬件開銷較少的優(yōu)勢，已成為設(shè)計的主要手段。在共享總線結(jié)構(gòu)中，多個總線主設(shè)備競爭使用總線控制權(quán)，不可避免地會產(chǎn)生競爭和沖突，為有效解決沖突，設(shè)計了總線仲裁器來決定總線上哪個主設(shè)備獲得總線的使用權(quán)。但是，各總線主設(shè)備會有不同的實時性和帶寬的要求，所以，總線仲裁器必須采取合理的策略和高性能的調(diào)度算法來滿足各主設(shè)備的要求。目前，常用的總線仲裁算法有：固定/動態(tài)優(yōu)先權(quán)算法FP/DP(Fix/Dynamic Priority)、時分復(fù)用算法TDMA(Time Division Multiple Access)、時間片輪轉(zhuǎn)算法RR(Round Robin)和彩票算法(Lottery)。文獻(xiàn)[1]-[3]已經(jīng)證明了這些傳統(tǒng)算法不能很好地滿足各主設(shè)備實時性和帶寬要求。目前，不少學(xué)者對傳統(tǒng)算法進行了改進，如文獻(xiàn)[4]把Lottery算法改進成三級總線仲裁機制；文獻(xiàn)[5]通過自適應(yīng)的動態(tài)調(diào)整“彩票”數(shù)來改進Lottery算法；文獻(xiàn)[6]則提出了一種基于傳輸時間精確預(yù)測的仲裁算法。但是，這些改進算法也都沒有考慮主設(shè)備請求總線服務(wù)的緩急程度。因此，本文提出一種基于搶占閾值的最小空閑時間優(yōu)先PT-LSF(Preemption Threshold-Least Slack First)服務(wù)的片上總線仲裁算法。該算法在收集主設(shè)備請求(服務(wù)時間和截止時間等)特性參數(shù)和總線傳輸狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，通過PT-LSF算法的調(diào)度結(jié)果，實時動態(tài)地改變主設(shè)備優(yōu)先權(quán)，以滿足主設(shè)備強實時性要求。
1 基于最小空閑時間優(yōu)先的總線仲裁算法原理及實現(xiàn)
1.1 算法原理
記空閑時間Si定義為從當(dāng)前時刻t直到其截止期di的時間與其剩余服務(wù)時間ci(t)之間的差，則最小空閑時間優(yōu)先調(diào)度算法的策略是：按照主設(shè)備的空閑時間動態(tài)地分配優(yōu)先級p，可由式(1)確定：
pi=pmax-Si (1)
空閑時間越短，主設(shè)備的優(yōu)先級就越高，因此選擇具有最小空閑時間的主設(shè)備獲得總線的使用權(quán)。假設(shè)某個主設(shè)備Ti發(fā)出請求總線服務(wù)請求時，總線正被具有更高優(yōu)先級的其他主設(shè)備Tj所占用，從而阻止了Ti使用總線。隨著時間的推移，Ti的空閑時間嚴(yán)格單調(diào)遞減直至小于正占用總線的主設(shè)備Tj的空閑時間時，按照調(diào)度策略，總線必須切換到服務(wù)Ti。
1.1.1 總線顛簸現(xiàn)象
由于等待主設(shè)備的空閑時間隨時間嚴(yán)格遞減，當(dāng)有多個任務(wù)等待主設(shè)備時，其空閑時間不斷變化，所以會出現(xiàn)多個主設(shè)備相互交叉搶占總線服務(wù)的現(xiàn)象。每次搶占都發(fā)生一次總線切換，造成總線服務(wù)顛簸現(xiàn)象。由于總線服務(wù)切換的時間不可忽略，而且會加大仲裁器的設(shè)計難度，浪費資源，因此必須有效地避免顛簸現(xiàn)象。顛簸現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因為等待服務(wù)主設(shè)備Ti的空閑時間Si一旦小于服務(wù)主設(shè)備Tj的空閑時間Sj，就馬上進行總線服務(wù)切換，所以選擇合適的切換時機可以有效地解決顛簸現(xiàn)象。本文引入搶占閾值來擴展最小空閑時間優(yōu)先服務(wù)的總線仲裁算法。
1.1.2 搶占閾值的確定
記pi為主設(shè)備Ti的優(yōu)先級，hi為主設(shè)備Ti的切換閾值。根據(jù)之前的分析，主設(shè)備的優(yōu)先值越大，其優(yōu)先級就越高，所以主設(shè)備的切換閾值必須大于其優(yōu)先值，即hi>pi。因為pi的值是動態(tài)變化的，所以hi值不能事先確定，需要隨時間進行動態(tài)修改?？紤]到總線仲裁過程實時性要求很高，hi值的確定不宜過于復(fù)雜，所以本文采用線性法來設(shè)計。對于任意Ti，hi的值由式(2)確定：
1.2 算法流程
算法流程如下：
(1)算法初始化；
(2)檢測是否有主設(shè)備請求總線服務(wù)，有則初始化主設(shè)備(假設(shè)為Ti)的參數(shù)(優(yōu)先級pi=pmax；切換閾值hi=hmax；空閑時間Si)，并加入等待服務(wù)主設(shè)備隊列T′中；
(3)對T′中的每個主設(shè)備計算Si；
(4)判斷總線是否正在服務(wù)，是則轉(zhuǎn)(5)，否則轉(zhuǎn)(7)；
(5)對T′中的所有Ti，計算Si-Sj，結(jié)果小于0則加入就緒服務(wù)主設(shè)備隊列T″中，轉(zhuǎn)(6)；
(6)判斷T″是否為空，是則轉(zhuǎn)(9)，否則對T″中的每個主設(shè)備計算pi=pi-hj，如果max(pi)>0設(shè)置Ti的優(yōu)先級最高，減小pj，轉(zhuǎn)(7)；
(7)對優(yōu)先級最高的Ti進行服務(wù)，轉(zhuǎn)(8)；
(8)修改各主設(shè)備參數(shù)，按照式(1)修改pi，式(2)修改hi；判斷T′中的主設(shè)備是否服務(wù)完，是則轉(zhuǎn)(9)，否則轉(zhuǎn)(2)；
(9)算法結(jié)束。
1.3 算法實現(xiàn)
基于閾值的最小空閑時間優(yōu)先服務(wù)的片上總線仲裁算法由4個基本模塊組成：算法控制模塊、優(yōu)先級調(diào)節(jié)器、帶寬調(diào)節(jié)器和總線傳輸控制器。另外，算法所需的主設(shè)備訪問總線特性參數(shù)（服務(wù)時間、截止時間等）和總線服務(wù)參數(shù)信息由信號提取模塊完成，信號的控制和實際數(shù)據(jù)的傳輸由信號授權(quán)模塊完成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
（1）優(yōu)先級調(diào)節(jié)器
該模塊的主要作用是實現(xiàn)對主設(shè)備優(yōu)先級的動態(tài)調(diào)節(jié),以滿足主設(shè)備的實時性要求。該模塊從信號提取模塊中獲得各個主設(shè)備實時性相關(guān)的參數(shù)(主設(shè)備請求總線服務(wù)時間、最大截止時間、請求訪問從設(shè)備的地址及從設(shè)備傳輸響應(yīng)時間等)，然后進行簡單的處理后，傳入算法控制模塊，經(jīng)過算法控制模塊的運算，最終得到各個主設(shè)備調(diào)整后的優(yōu)先級。優(yōu)先級調(diào)節(jié)器根據(jù)該結(jié)果通過信號授權(quán)模塊動態(tài)調(diào)整各個主設(shè)備的優(yōu)先級。
（2）帶寬調(diào)節(jié)器
該模塊的主要作用是監(jiān)視總線上主設(shè)備實際傳輸帶寬和由算法控制的應(yīng)該配置帶寬之間的變化，實時反饋信息給算法控制模塊來保證帶寬精確分配。該模塊從信號提取模塊中獲得各個主設(shè)備帶寬要求相關(guān)的參數(shù)(主設(shè)備每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L度、主設(shè)備帶寬需求以及總線帶寬利用情況等)，然后進行簡單的處理，傳入算法控制模塊，經(jīng)過算法控制模塊的運算，最終得到各個主設(shè)備調(diào)整后的帶寬要求，帶寬調(diào)節(jié)器根據(jù)該結(jié)果通過信號授權(quán)模塊動態(tài)調(diào)整各個主設(shè)備的帶寬配置。
（3）總線傳輸控制器
該模塊的主要作用是監(jiān)視總線帶寬的狀態(tài)，準(zhǔn)確預(yù)測出各設(shè)備請求的響應(yīng)時間，并將該結(jié)果傳入算法控制模塊，經(jīng)過算法控制模塊的運算，得到新的總線帶寬分配方案。總線傳輸控制器通過信號授權(quán)模塊來協(xié)調(diào)各個主設(shè)備使用總線。
（4）算法控制模塊
算法控制模塊的硬件邏輯包括：時間片定時器、判據(jù)寄存器組、比較邏輯和算法控制狀態(tài)機。其中，判據(jù)寄存器組的初始值通過離線計算獲得，在總線服務(wù)過程時，通過主設(shè)備特性參數(shù)提取模塊獲得實時參數(shù)值，作為新的判據(jù)寄存器數(shù)據(jù)提供給算法控制狀態(tài)機。比較邏輯負(fù)責(zé)對算法運行產(chǎn)生的新結(jié)果與判據(jù)寄存器組進行比較，并對判據(jù)寄存器組內(nèi)的數(shù)據(jù)進行更新。
算法控制狀態(tài)機采用Mealy有限狀態(tài)機來實現(xiàn)總線仲裁算法流程，完成對各主設(shè)備的優(yōu)先級、帶寬分配等屬性的動態(tài)調(diào)節(jié)。另外對各主設(shè)備請求使用總線服務(wù)進行仲裁，實現(xiàn)各主設(shè)備協(xié)調(diào)使用總線所提供的服務(wù)。
2 實驗及結(jié)果分析
為驗證基于閾值的最小空閑時間優(yōu)先服務(wù)總線仲裁器的性能，本文對基于動態(tài)優(yōu)先級的仲裁器、基于時間輪轉(zhuǎn)的仲裁器和本文提出的仲裁器進行了實驗，并進行了比較。
2.1 實驗平臺
實驗硬件平臺為Core 2 Duo CPU(主頻為2 GHz)，內(nèi)存4 GB，操作系統(tǒng)是Windows XP，仿真軟件使用ModelSim6.4。在實驗平臺上，共實現(xiàn)了6個主設(shè)備、1個從設(shè)備和1個總線仲裁器。6個主設(shè)備的類型和相關(guān)參數(shù)如表1所示(在表1中，R表示有實時性要求，NR表示沒有實時性要求；B表示有帶寬要求，NB表示沒有帶寬要求)。
2.2 實驗結(jié)果
首先，定義兩種性能指標(biāo)：
(1)服務(wù)請求截止期錯失率MDP（Missed Deadline Percentage）=“所有截止期錯失的總線服務(wù)請求/所有主設(shè)備總線服務(wù)請求之和”。
(2)服務(wù)切換次數(shù)SSN(Service Switch Num)=“從未完成的總線服務(wù)請求到搶占的總線服務(wù)請求切換次數(shù)”+“從完成總線服務(wù)請求到另一總線服務(wù)請求的切換次數(shù)”。
在此基礎(chǔ)上，對表1中所示的6個主設(shè)備分別采用4種總線仲裁算法進行仿真實驗，得到如下結(jié)果。
(1)對于不同總線負(fù)載ρ
取公式（2）中的α=5，圖2和圖3分別表示對于不同總線負(fù)載ρ(0.5≤ρ≤2.0)情況下，4種總線仲裁算法的MDP比較。其中圖2是在每個主設(shè)備請求100個總線服務(wù)下的MDP，圖3是每個主設(shè)備請求200個總線服務(wù)下的MDP。從圖2和圖3中可以看出，最小空閑時間優(yōu)先總線仲裁器得到的MDP要明顯小于其他兩種總線仲裁器。當(dāng)ρ≤1時，最小空閑時間總線仲裁器可以保證每個主設(shè)備都滿足其總線服務(wù)截止期要求；當(dāng)ρ>1時，會出現(xiàn)主設(shè)備部分總線服務(wù)請求不能滿足其服務(wù)截止期要求的情況，但其MDP要明顯小于其他兩種總線仲裁器。
(2)對于不同比例系數(shù)α
取ρ=1.3，圖4和圖5分別給出了在不同比例系數(shù)α時的MDP和SSN變化情況。
從圖4中可以看出，對于MDP的影響，并不是搶占次數(shù)越多（比例系數(shù)α越?。┱{(diào)度效果就越好，而是當(dāng)α=12時，MDP最??；而當(dāng)α=1時，MDP達(dá)到最大。從圖5中可以看出，SSN的值隨著ρ的變大而逐漸變小，但是，當(dāng)α的值大到一定量時，SSN的值變化不明顯；當(dāng)α接近1時，SSN變化顯著。究其原因，從公式（2）中可以看出：當(dāng)α=1時，hi=pi，即主設(shè)備的搶占閾值等于其優(yōu)先級，則搶占閾值就沒有起到作用，即變成了完全搶占模式，該情況下，主設(shè)備頻繁地?fù)屨伎偩€服務(wù)，造成過多的總線服務(wù)切換，浪費了總線帶寬資源，從而影響總線服務(wù)的性能；當(dāng)α=16時主設(shè)備的搶占閾值為最高優(yōu)先級，造成永遠(yuǎn)不能被其他主設(shè)備搶占的情況，成為非搶占模式。以上兩種情況都會造成總線服務(wù)質(zhì)量的下降，所以，比例系數(shù)α的選擇應(yīng)當(dāng)保證MDP最小的情況下，相應(yīng)的SSN值不能太大，結(jié)合圖4和圖5可以看出，α=12為最優(yōu)比例系數(shù)。
2.3 試驗結(jié)果分析
在PT-LSF算法中，總線仲裁器在收集主設(shè)備請求特性參數(shù)和總線傳輸狀態(tài)信息基礎(chǔ)上，結(jié)合主設(shè)備請求總線服務(wù)的緩急程度來實時地改變主設(shè)備優(yōu)先權(quán)，以滿足主設(shè)備強實時性要求。通過與常用的動態(tài)優(yōu)先級算法、時間片輪轉(zhuǎn)算法和Lottery算法的實驗分析比較可以看出，本文提出的PT-LSF算法在服務(wù)請求截止期錯失率（MDP）上有顯著優(yōu)勢。當(dāng)總線負(fù)載在0.5～1.0范圍內(nèi)時，PT-LSF算法的MDP值為0；當(dāng)總線負(fù)載在1.0～2.0范圍內(nèi)時，PT-LSF算法的MDP值比時間片輪轉(zhuǎn)算法平均減少了50.8%，比動態(tài)優(yōu)先級算法平均減少了43.6%，比Lottery算法平均減少了36.3%。綜合對比，PT-LSF算法的MDP比其他算法平均減少了43.8%，能很好地滿足各主設(shè)備在各種情況下的強實時要求。另外，在PT-LSF算法中，使總線服務(wù)達(dá)到最優(yōu)時，并不是搶占次數(shù)越多（比例系數(shù)α越大）越好，而是取一個中間合適值。在本文中，系統(tǒng)最大優(yōu)先級為16，最小優(yōu)先級為1，最優(yōu)比例系數(shù)α為12，該結(jié)果為搶占閾值比例系數(shù)?琢的確定提供了實驗依據(jù)。
本文提出了基于最小空閑時間優(yōu)先的總線仲裁算法，并給出了算法的實現(xiàn)流程和組成結(jié)構(gòu)。將其與動態(tài)優(yōu)先級算法、時間片輪轉(zhuǎn)算法和Lottery算法進行比較。實驗結(jié)果顯示：該總線仲裁算法在MDP方面比其他兩種算法平均減少了43.8%，能更好地保證主設(shè)備的強實時要求。該總線仲裁算法對于共享總線的片上系統(tǒng)設(shè)計具有重要的參考價值。
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