【数字IC设计】循环优先级仲裁器 的 verilog实现原理、源码、仿真

1. 概述

在多主机的通讯结构中（如AXI、AHB），仲裁器往往是不可或缺的一个模块。其用于通过一定的策略，处理【多个主机同时请求获取总线权限】时的仲裁任务。

模块输入为一定宽度的请求信号，每一位代表一个主机的请求与否，输出则为同位宽的热独码。
因此模块接口可以描述为（以4个主机为例）：

常见的仲裁策略有三种：

固定优先级仲裁器	循环仲裁器	循环优先级仲裁器
给每个主机分配固定的优先级，在多个设备发起请求时，始终将总线权限分配给高优先级的主机	通过一个指针对各个主机的请求进行轮询	根据上一次仲裁的结果进行优先级的重新分配，并应用于下一次的仲裁
其特点在于原理、结构和实现都很简单，但是可能出现低优先级主机迟迟无法获得总线权限的情况	各个端口获得总线的机会基本上是平等的，但是但主机数较多时，遍历的效率较低	每个主机获得总线的机会基本平等，而且只要有请求，在下一个周期必然可以输出仲裁结果，效率高
使用组合电路即可实现	使用一个计数器即可实现

循环优先级仲裁器（Round Robin arbiter）是一种【尽量均匀的将总线分配给不同主机】的策略。其基本思想如下：

1. 在初始情况下，最低位代表的主机有着最高的优先级，且向左优先级依次递减。
   以A为最高优先级，D为最低优先级，则可以表示为 DCBA 。

2. 若在一次仲裁中，某一位代表的主机获取了总线权限，则在下一次仲裁中，其左侧相邻位优先级变为最高，并向左优先级依次降低。

如下例：

1. 初始仲裁优先级：DCBA，第一次发起仲裁请求的输入为4’b1010，则优先级为B的端口获得权限，仲裁器输出为4‘b0010。
2. 与此同时，下一次仲裁的优先级即变成了BADC，即刚刚获得权限的主机在下一次仲裁中的优先级最低。

2. verilog的实现原理

上述描述显得算法并不复杂，但是在实际的verilog可综合实现中却并不是那么直白。网上看到不少帖子里用了非常暴力的case分支，但是显然极其浪费资源。

几篇帖子中，有一个【数字IC手撕代码】Verilog轮询仲裁器|题目|原理|设计|仿真很有新意，但是通篇看下来发现并未对原理深入分析，代码也存在一定的问题，所以自己琢磨了一番。

原理

接下来是代码实现：

module round_robin_arb(
    input   clk         ,
    input   rst_n       ,
    
    input  [3:0] request,
    output [3:0] grant
);

    // 存储移位后上一次仲裁结果
    reg  [3:0] last_state;
    always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if(!rst_n)
            last_state <= 4'b0001;     // 默认值，表示最低位的优先级最高
        else if(|request)
            last_state <= {grant[2],grant[1],grant[0],grant[3]}; // 有仲裁请求，根据上一次的仲裁结果，左移1bit后用于控制新的优先级
        else
            last_state <= last_state;  // 无仲裁请求时，pre_state不更新
    end

    // 如果最左侧几个高优先级主机都为发起仲裁请求，需要从最低位开始轮询。
    // 此处通过两个request拼接，将右侧低位拼接到左侧，即可实现对低位的判断。
    wire [7:0] grant_ext;
    assign grant_ext = {request,request} & ~({request,request} - last_state);

    // 得到的grant_ext必定为一个热独码，但是置高位可能在代表低位的高4bit中，因此进行求或运算
    assign grant = grant_ext[3:0] | grant_ext[7:4];

endmodule

仿真代码：

`timescale 1ns / 1ps
module dut_top();

    bit       clk    ;
    bit       rst_n  ;
    bit [3:0] request;
    bit [3:0] grant  ;

    initial forever #5 clk = !clk;

    initial begin
        rst_n= 0;
        request = 4'h0;
        #15 rst_n = 1;
        @(posedge clk) #0 request = 4'b1101;
        #50;
        @(posedge clk) #0 request = 4'b0101;
        @(posedge clk) #0 request = 4'b0010;
        @(posedge clk) #0 request = 4'b0000;
        #100;
        $stop;
    end

    round_robin_arb u0_round_robin_arb_inst
    (
        .clk        ( clk       ) ,
        .rst_n      ( rst_n     ) ,
        .request    ( request   ) ,
        .grant      ( grant     ) 
    );

endmodule

仿真结果如下图：

综合得到的RTL为：