傳統(tǒng)SoC總線架構(gòu)已不能滿足新的聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)計對高帶寬數(shù)據(jù)流進行實時控制的需求，NetSilicon開發(fā)的可編程總線帶寬控制系統(tǒng)可以使多個資源同時訪問總線，使其既滿足應(yīng)用要求又不會影響其他重要操作的性能。本文將對該系統(tǒng)的可編程總線帶寬分配方案進行探討。

圖1：NS9xxx的帶寬控制系統(tǒng)。

    32位嵌入式設(shè)計越來越要求對網(wǎng)絡(luò)上高帶寬數(shù)據(jù)流進行實時控制，特別是在系統(tǒng)級芯片(SoC)層面，以確定性和無爭議的方式傳輸數(shù)據(jù)和控制信息變得非常重要。各種操作直接處于系統(tǒng)開發(fā)者既定的控制之下也很重要，而這在基于總線的SoC設(shè)計中并不總是能夠?qū)崿F(xiàn)。

    設(shè)計者和芯片供應(yīng)商常常借鑒板級及系統(tǒng)級架構(gòu)技術(shù)，以便在最短的設(shè)計時間內(nèi)以最低的開發(fā)成本進行SoC設(shè)計。由于手機和PDA等設(shè)備對確定性的實時響應(yīng)需求很少，所以傳統(tǒng)解決方案在此類應(yīng)用中表現(xiàn)還不錯。

    但在許多新的聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)計中，傳統(tǒng)總線架構(gòu)不能滿足共享總線對高帶寬及高密度數(shù)據(jù)流的需求，在下列應(yīng)用中尤其如此，如工業(yè)用人機界面(HMI)網(wǎng)絡(luò)顯示、POS終端設(shè)備，具有不同數(shù)據(jù)帶寬需求的彩色打印機、網(wǎng)絡(luò)投影儀和監(jiān)視攝像機，以及網(wǎng)絡(luò)打印機、數(shù)字復(fù)印機、多功能一體機、傳真機和掃描儀等。

    許多基于片上串行互連的替代方案正在研發(fā)中，這些替代方案類似于串行結(jié)構(gòu)、交叉交換(crossbar switch)和基于數(shù)據(jù)包的總線。在這些新方案得以完善之前，鑒于時間和成本壓力，必須找到能修改從板級設(shè)計借鑒過來的共享總線架構(gòu)的方法，以滿足新的32位嵌入式聯(lián)網(wǎng)設(shè)計對確定性和實時性的要求。

傳統(tǒng)SoC總線的優(yōu)缺點

    SoC開發(fā)者不愿意放棄這種通用共享總線，因為它可以減少設(shè)計周期中的規(guī)范制定及驗證工作，能使SoC的高層次集成如同將擴展卡插到背板上一樣簡單。通過采用通用總線，開發(fā)者可以集中精力投入到更高層次的決策中。

    ARM公司在高級微控制器總線架構(gòu)(AMBA)中采用通用總線，允許獲得許可的使用者專注于自己的應(yīng)用開發(fā)，從而快速將產(chǎn)品推向市場。

    微處理器、DMA控制器、存儲器控制器及其它更高性能的模塊通過AHB連接。性能較低的模塊，比如UART、通用輸入/輸出(GPIO)及定時器等，則通過APB連接。

    但是，基于ARM的SoC所瞄準的許多高端嵌入式應(yīng)用，要求它們在處理這些應(yīng)用的確定性與實時性需求的同時，還可以訪問高帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

    這些應(yīng)用要求SoC能夠發(fā)出控制信號、采集數(shù)據(jù)并在網(wǎng)絡(luò)上實時傳輸數(shù)據(jù)�；诓煌木W(wǎng)絡(luò)特性及其帶寬要求，現(xiàn)有SoC總線架構(gòu)的性能將會得到盡可能的提升，例如，高端聯(lián)網(wǎng)嵌入式應(yīng)用可能要處理通過以太網(wǎng)連接從照相機傳輸?shù)酱蛴C的視頻數(shù)據(jù)位流，或從服務(wù)器傳輸?shù)酱蛴C的圖像，與此同時還可能根據(jù)與掃描、刷新和更新周期有關(guān)的確切要求對本地LCD顯示進行更新。使用外部LCD時，LCD控制器必須知道通過該總線傳輸?shù)木唧w字節(jié)數(shù)量、數(shù)據(jù)發(fā)送順序以及數(shù)據(jù)在顯示器上顯示的特定時隙和順序，同時也很必要將信息不斷地饋送給LCD用于更新。

圖2： NS9750原理框圖。

    共享總線的概念并不能滿足SoC中的這些要求。在典型的AHB設(shè)計中，總線主控是總線上全部的主要資源，也就是說，當總線空閑時，它們可向總線請求完成一個任務(wù)所需要的時間。但在基于ARM的SoC中，程序設(shè)計者不能直接控制當它們掌管總線時可得到多少總線資源。

    共享總線架構(gòu)用多種方式來區(qū)分這些操作的優(yōu)先次序，包括：菊花鏈仲裁、集中式并行仲裁、基于自選或沖突監(jiān)測的分布式仲裁以及帶多個總線請求的總線仲裁。但當指定的主控接管總線后，其他操作就會擱置在一邊。目前還沒有一種機制能夠讓多個資源同時訪問總線，使其既滿足應(yīng)用要求，又不會影響其他重要操作提供確定性及實時性響應(yīng)的能力。

    在AMBA環(huán)境中處理這類情況的一種通用方法是使用仲裁通道。如果有六個總線主控，總線便設(shè)計成有六個仲裁通道。但是，片上仲裁邏輯根據(jù)請求訪問該總線的主控數(shù)目來分配這些通道，而不是把每個通道指定給某個特定的主控。如果有四個主控請求訪問總線，則這六個通道會在這四個主控之間進行分配，確保每個主控有平等的機會訪問該總線。

    然而，這并不能解決如何分配足夠的總線帶寬以完成某一特定任務(wù)這一基本問題。若其中一個操作需要三個通道，而其它操作總共只需要兩個通道，則每一種操作將會分配到相同數(shù)量的可用通道空間。其結(jié)果是，有的通道沒有充分利用(甚至根本沒用到)，而