ARM中Round Robin的仲裁方案的详细介绍

在ARM架构的总线系统中（如AHB/AXI总线），Round Robin（轮询仲裁） 是一种常用的仲裁方案，用于公平地分配多个主设备（Master）对共享总线资源的访问权限。其核心思想是循环分配总线使用权，避免单一主设备长期独占总线，从而保证系统资源的公平性和实时性。

---

Round Robin仲裁的核心原理

1. 循环队列机制
   仲裁器维护一个主设备队列，按固定顺序（如设备0 → 设备1 → … → 设备N → 设备0）依次授予总线访问权。

   • 示例：假设有3个主设备（M0, M1, M2）请求总线：
     • 第一轮：M0获得访问权
     • 第二轮：M1获得访问权
     • 第三轮：M2获得访问权
     • 第四轮：重新回到M0

2. 请求检测与切换条件

   • 当前主设备完成传输（如发送最后一次数据）后，仲裁器立即切换到下一个有请求的主设备。
   • 若当前设备无请求，则跳过该设备继续轮询。

---

关键特性与优势

特性	说明
公平性	每个主设备在循环周期内获得均等机会，避免低优先级设备被"饿死"。
低延迟均衡	高优先级设备无需等待过长时间（与固定优先级仲裁相比）。
实现简单	硬件逻辑只需一个状态机或移位寄存器即可实现循环队列。
动态适应性	自动跳过空闲设备，将带宽分配给有需求的设备。

---

工作流程示例

假设三个主设备（M0, M1, M2）同时请求总线：

1. 初始状态：仲裁器指针指向M0 → M0获得总线。
2. M0传输结束：指针移到M1 → M1获得总线。
3. M1传输结束：指针移到M2 → M2获得总线。
4. M2传输结束：指针移回M0 → 开始新一轮循环。

✅ 跳过空闲设备：若M1无请求，则流程变为 M0 → M2 → M0 → ...

---

变种：加权轮询（Weighted Round Robin）

为不同主设备分配权重（优先级），允许高优先级设备在循环中获得更多访问机会：

• 示例：设置权重 M0:2, M1:1, M2:1
  • 循环序列：M0 → M0 → M1 → M2 → M0 → M0 → M1 → M2...
  • 高权重设备（M0）每轮可连续访问两次。

---

硬件实现方式

1. 状态寄存器
   记录当前轮到的主设备ID（如2-bit寄存器存储0/1/2）。
2. 优先级编码器
   检测下一个有效请求的设备（按循环顺序）。
3. 移位寄存器
   通过循环移位动态更新设备优先级顺序（如每次授权后左移一位）。

// 简化的Round Robin仲裁器Verilog伪代码
always @(posedge clk) begin
  if (current_master_done) begin // 当前设备传输结束
    for (int i=1; i<=NUM_MASTERS; i++) begin
      next = (current + i) % NUM_MASTERS; // 查找下一个设备
      if (request[next]) break;          // 找到有请求的设备
    end
    current <= next; // 更新当前设备
  end
end

---

与固定优先级仲裁的对比

特性	Round Robin	固定优先级
公平性	✅ 高	❌ 低（低优先级易饿死）
实时性	⚖️ 均衡	✅ 高优先级响应快
适用场景	带宽敏感型设备（如DMA、GPU）	实时关键设备（如CPU、中断控制器）
硬件复杂度	中等	简单

---

在ARM总线中的应用

• AHB总线：Round Robin常用于多层互连矩阵（如ARM CoreLink NIC-400）中分配从设备（Slave）端口。
• AXI总线：支持基于Round Robin的交叉开关（Crossbar），优化多主设备并行访问。

⚠️ 注意：实际SoC中常采用混合策略（如高优先级设备用固定优先级，其余用Round Robin），以兼顾实时性与公平性。

Round Robin仲裁通过循环分配机制，在保证公平性的同时维持了系统吞吐量，是ARM总线架构中平衡多主设备竞争的核心方案之一。