Verilog设计优先级仲裁器_轮询仲裁器verilog

一、仲裁器Arbiter是什么？

仲裁器主要用于当多个source发出请求时，根据一定的规则，来选择响应哪一个source。
比如说source有6个，编号分别为0、1、2、3、4、5，优先级依次减小。那么当3号发出请求时，就无视4号、5号，响应3号的请求。同样的，当0号发出请求时，就响应0号，无视1-5号是否发出了请求。

二、固定优先级仲裁器Fixed Priority Arbiter

verilog设计：
i_priority为独热码，例如00100，则说明2号的请求优先级最高，向左依次降低

module FIXED_Arbiter#(
    parameter       P_CHANNEL_NUM   =   8
)(
    input                           i_clk               ,
    input                           i_rst               ,
    input  [P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  i_req               ,
    input  [P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  i_priority          ,
    input                           i_req_valid         ,
    output [P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  o_grant             ,
    output                          o_grant_valid       
);
/***************reg*******************/
reg  [P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]    ro_grant        ;
reg                             ro_grant_valid  ;
/***************wire******************/
wire [2*P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  req_sub_first_priority  ;
wire [2*P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  w_double_req    ;
wire [2*P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  w_double_grant  ;
/***************component*************/

/***************assign****************/
assign o_grant  = ro_grant  ;
assign o_grant_valid = ro_grant_valid;
assign req_sub_first_priority = w_double_req - i_priority;
assign w_double_req = {i_req,i_req};
assign w_double_grant = w_double_req & (~req_sub_first_priority);
/***************always****************/

always @(posedge i_clk or posedge i_rst)begin
    if(i_rst)
        ro_grant <= 'd0;
    else if(i_req_valid)
        ro_grant <= w_double_grant[P_CHANNEL_NUM - 1 : 0] | w_double_grant[2*P_CHANNEL_NUM - 1 : P_CHANNEL_NUM];
    else
        ro_grant <= ro_grant;   
end

always @(posedge i_clk or posedge i_rst)begin
    if(i_rst)
        ro_grant_valid <= 'd0;
    else if(i_req_valid)
        ro_grant_valid <= 1'b1;
    else
        ro_grant_valid <= 'd0;   
end


endmodule
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波形图：

输入请求为0110，第一次优先级为0001，授权为0010，第二次优先级为0010，授权依旧为0010，第三次优先级为0100授权变为0100，最后一次优先级为1000，授权变为0010；

三、轮询优先级仲裁器Round Robin Arbiter

当N个source同时发出请求时，默认source 0的优先级最高，当source 0 被响应后，它的优先级变为最低，source 1的优先级转为最高，以此类推。
verilog设计：
round_priority 初始值为0001，每次相应后最高优先级向左移位

module RR_arbiter#(
    parameter       P_CHANNEL_NUM   =   8
)(
    input                           i_clk               ,
    input                           i_rst               ,
    input  [P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  i_req               ,
    input                           i_req_valid         ,
    output [P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  o_grant             ,
    output                          o_grant_valid       ,
    input                           reset_priority
);
/***************reg*******************/
reg  [P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]    ro_grant        ;
reg                             ro_grant_valid  ;

reg  [P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]    round_priority  ;
/***************wire******************/
wire [2*P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  req_sub_first_priority  ;
wire [2*P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  w_double_req    ;
wire [2*P_CHANNEL_NUM - 1 : 0]  w_double_grant  ;
/***************component*************/

/***************assign****************/
assign o_grant  = ro_grant  ;
assign o_grant_valid = ro_grant_valid;
assign req_sub_first_priority = w_double_req - round_priority;
assign w_double_req = {i_req,i_req};
assign w_double_grant = w_double_req & (~req_sub_first_priority);
/***************always****************/
always @(posedge i_clk or posedge i_rst)begin
    if(i_rst)
        round_priority <= 'd1;
    else if(reset_priority)
        round_priority <= 'd1;
    else if(ro_grant_valid)
        round_priority <= {round_priority[P_CHANNEL_NUM - 2 : 0],round_priority[P_CHANNEL_NUM - 1]};
    else
        round_priority <= round_priority;
end

always @(posedge i_clk or posedge i_rst)begin
    if(i_rst)
        ro_grant <= 'd0;
    else if(i_req_valid)
        ro_grant <= w_double_grant[P_CHANNEL_NUM - 1 : 0] | w_double_grant[2*P_CHANNEL_NUM - 1 : P_CHANNEL_NUM];
    else
        ro_grant <= ro_grant;   
end

always @(posedge i_clk or posedge i_rst)begin
    if(i_rst)
        ro_grant_valid <= 'd0;
    else if(i_req_valid)
        ro_grant_valid <= 1'b1;
    else
        ro_grant_valid <= 'd0;   
end

endmodule
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波形图：

可以看到每次授权后优先级都会发生改变

四、权重轮询优先级仲裁器Weighted Round Robin Arbiter

权重轮询仲裁器就是在轮询仲裁器的基础上，当grant次数等于weight时，再切换最高优先级。
我们在轮询的基础上加上一些权重，仲裁器虽然轮询的去serve requestor的 请求，但是完成一圈轮询后，requestor被serve的次数并不完全相同。
假设requestor有A、B、C、D三个，权值分别为4、3、2、1，假设它们的request一直为高，且从A开始轮询。则A被serve 4 次后B 才能被serve，依次类推。即weighted round robin则是要把weight计数器消耗光之后才轮换。如果A被serve的次数不够4次，此时request被拉低了呢？这个时候，我们不能等待A，而是要serve其他request为高的source，不然如果A后面不再发出有request，其他source的request就会永远不能被serve，就会挂死。 因此，当source的counter与weight相同（情况一），或者是正在被serve的source request被拉低（情况二），则重新load权值。