### 一种基于四相双轨协议的异步自适应优先轮询仲裁器
#### 摘要
本文提出了一种基于四相双轨协议的异步自适应优先轮询仲裁器（Asynchronous Adaptive Priority Round-Robin Arbiter, APRA）。该设计结合了同步与异步电路的优点，在保证公平性基础上提供了所需带宽分配，并适用于同步SoC系统。在非空闲、非抢占（NINP）模型下进行了模拟与验证。
实验结果显示，与常用的固定优先级（Fixed Priority, FP）、轮询（Round-Robin, RR）以及彩票式仲裁器相比，所提出的仲裁器速度提高了18%至50.4%，动态与静态功耗分别降低了8.4%至46.2%及81.8%至90.9%。此外，该仲裁器在输出带宽分配方面表现更优，并且具有速度快、功耗低的特点。同时，其易于重构、实用性强且系统集成复杂度较低，适合各种极端通信流量场景。
#### 关键词
- 仲裁器
- 异步电路
- 四相双轨协议
- 系统芯片 (System-on-Chip, SoC)
#### 引言
随着集成电路制造技术的发展，全球同步工作模式的缺陷日益明显，特别是对于SoC设计而言，随着集成度的持续增加，这种模式的问题越来越突出。异步电路因其高速度、低功耗、低系统集成复杂度、统一网络接口及更好的电磁兼容性等优势，使得设计全球异步局部同步（Global Asynchronous Locally Synchronous, GALS）SoC成为可能[1]。根据国际半导体技术路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）预测，异步范式在未来将变得更加普遍，到2013年异步信号将占据全球信号的大约22%[4]。
SoC总线架构主要包含两个组件：主机和从机。发起通信交易的IP被称为主机，如微处理器；而接收数据的IP则称为从机，例如存储器。在SoC设计中，主机和从机之间的通信通过共享总线进行。为了有效管理这些通信请求并确保资源分配的公平性，仲裁机制变得至关重要。
### 设计原理与方法
#### 四相双轨协议
四相双轨协议是一种高效的异步通信协议，它通过引入额外的控制信号来确保数据传输的正确性和完整性。该协议利用四个阶段（请求、确认、数据传输、完成）和两条独立的数据路径来实现数据的无冲突传输。这种方法能够显著提高系统的吞吐量和可靠性。
#### 自适应优先轮询算法
传统的轮询算法采用固定的顺序来处理请求，这可能导致某些请求长期得不到服务。为了解决这一问题，本研究提出了一种自适应优先轮询算法。该算法可以根据当前请求队列的状态动态调整优先级，确保所有请求都能得到公平的服务时间。
具体来说，每个请求在进入队列时会被赋予一个初始优先级，随着请求在队列中的等待时间增加，其优先级也会相应提升。当仲裁器选择下一个请求进行服务时，会优先考虑那些等待时间较长的请求。这种机制不仅保证了公平性，还能有效减少平均响应时间。
#### 实现细节
- **非空闲非抢占模型**：在NINP模型中，仲裁器不会在处理一个请求的过程中被中断或抢占，从而避免了不必要的延迟。
- **性能优化**：通过对电路结构进行优化设计，减少了信号传播延迟，提高了仲裁器的工作频率。此外，通过减少不必要的信号切换，进一步降低了功耗。
- **灵活性与扩展性**：所提出的APRA支持动态配置，可以根据实际需求调整优先级设置和轮询策略，以适应不同的应用场景。此外，其模块化的设计也便于与其他组件集成。
#### 结论与展望
本研究提出了一种基于四相双轨协议的异步自适应优先轮询仲裁器，该仲裁器结合了同步和异步电路的优势，实现了高效、公平的资源分配。通过理论分析与实验验证，证明了所提方案在性能和功耗方面的优越性。未来的研究可以进一步探索如何在更大规模的SoC系统中应用这一技术，以及如何针对特定应用场景进行定制化设计，以满足不同领域的特定需求。
