JP2008532143A - より高い周波数アービターを介してサイクルあたり複数のバスアービトレーションを有するスイッチマトリクスシステム - Google Patents

Abstract

スイッチマトリクスシステム内のアービターは、バス周波数より大きい周波数で動作することにより、単一のバス周波数クロックサイクルにおける複数のバストランザクションリクエストを調停する。これは、アービトレーションロジックの１つのインスタンスを用いて単一周波数クロックサイクルにおいて２以上のアービトレーションオペレーションを可能にする。アービターは２以上のスレーブ装置に対して調停してもよいしまたは同じスレーブ装置に向けられた複数のマスタ装置リクエストを調停してもよい。アービター周波数は可変であってもよいし、例えば、従前のバス活動に基いて予測されてもよい。１つのバストランザクションのみが未決なら、アービター周波数はバス周波数に等しくてもよい。初期アービトレーション決定の結果を利用して同じバス周波数クロックサイクルで次のアービトレーション決定をより理知的に行ってもよい。

Description

この発明は一般に電子データ処理の分野に関し、特に高性能バスアービトレーションのシステムと方法に関する。

機能ユニット間のデータの転送はコンピューターシステムの一般的動作である。ディスクからメモリへのプログラムをプロセッサーに転送すること、グラフィックエンジンからフレームバッファへのデータをビデオカードに送信すること、およびキーボードまたはマウスからの入力をプロセッサーに送信することはコンピューターシステム内のデータ転送のすべての一般的な例である。

図１は、一般的に数字１０により発生された、システムバスアーキテクチャの簡単化された図を描画する。システムバス１２は、アドレスチャネル、データチャネル、制御チャネル等に分割されてもよいが、システムバスを相互接続する。ＣＰＵ１４またはＤＭＡエンジン１６のようなマスタ装置は、ここではバストランザクションと呼ばれる、メモリ１８および入出力回路２０のようなスレーブ装置へのまたはスレーブ装置からの、バス１２を介したデータ転送を開始する。２以上の独立したマスタ１４、１６がバス１２に接続されると、バスへのアクセスはアービター２２により制御される。

技術的に知られているように、１つ以上のマスタ装置１４、１６はアービター２２へのバスリクエストをアサートする。アービター２２はバス１２上の活動を監視し、バス１２が利用可能になると、バス許可を、要求しているマスタ装置１４、１６の１つに送信する。次に許可されたマスタ装置１４、１６は、１つ以上のスレーブ装置１０、２０に向けられたリードまたはライトサイクルのように、バス１２を介したトランザクションを開始してもよい。

少数のマスタ装置１４、１６をさまざまなスレーブ装置１８、２０に接続するためにシステムバス１０が功を奏する一方、一度に１つのマスタ装置１４、１６のみがスレーブ装置１８、２０にアクセスすることができるという制限を課す。高性能プロセッサーにおいて、２以上のマスタ装置１４、１６が１つ以上のスレーブ装置１８、２０を独立してアクセスしたいかもしれない場合がよくある。

図２は一般に数字３０によって示される、高性能データ転送システムを描画する。クロスバースイッチとしても知られる、スイッチマトリクス３２は複数のマスタ装置３４を複数のスレーブ装置３６に相互接続する。もっとも一般的な場合に、任意のマスタ装置は任意のスレーブ装置にアクセスできる。例えば、図２はマスタ１がスレーブ１をアクセスし、マスタ２がスレーブ０をアクセスすることを描画する。いくつかの実施において、１つ以上のスレーブ装置３６は２つ以上のアドレスバスを含んでいてもよく、２以上のマスタ装置３４による同時アクセスを可能にする。

ｎのマスタ装置３４と単一のスレーブ装置３６からなるバスシステム３０の場合、スレーブ装置３６に対する競合するアクセスを調停するために、スイッチマトリクス３２内に１つのアービターのみが必要である。ｎのマスタ３４とｍのスレーブ３６を有する、ｎ×ｍのクロスバーシステム３０の場合、１からｍのアービターが実施されてもよい。ｍのアービターを用いて最高の性能が得られるであろう。各アービターは、スレーブ装置３６のために設けられる。ｍ未満のアービターの場合、すなわち、２以上のスレーブ装置３６に対して少なくとも１つのアービターが調停を実行する場合、各アービターは一度に、すなわち任意の所定のバスサイクルにおいて１つのスレーブ装置３６にしか調停することができないので、性能は劣化するであろう。しかしながら、多くのアービターを例示化することはチップ面積を消費し、ルーチンを複雑にし、電力消費を増大させる。

１つ以上の実施形態によれば、バス内のアービターは、バス周波数より大きいアービター周波数で動作させることにより単一のバス周波数クロックサイクルで複数のバストランザクションリクエストを調停する。

一実施形態において、システムはバス周波数で動作するバスを含む。少なくとも１つのマスタ装置はバスに接続され、バストランザクションを要求する。少なくとも１のスレーブ装置はバスに接続され、バストランザクションに従事している。アービターはバス周波数より大きなアービター周波数で動作することにより単一のバス周波数クロックサイクルで２以上のトランザクションリクエストを調停する。

他の実施形態において、バス周波数で動作するバスにおいて複数のバストランザクションリクエストを調停する方法は、バス周波数より大きい調停周波数においてアービターを動作させることと、１つのバス周波数クロックサイクルにおいて複数のバストランザクションリクエストを調停することとを備える。

図３はクロスマトリクスシステム３０における典型的なバストランザクションリクエストおよび調停のタイミング図を描画する。この例において、バスは、１０ｎｓｅｃのクロックサイクルとともに１００ＭＨｚのバス周波数で動作する。２つのスレーブＡおよびＢは単一のアービターを共有する。バスサイクル１において、２つのマスタ装置ＭＯ、ＭＩは２つのスレーブ装置に向けられたバストランザクションのためのリクエストを同時に発行する。

従来のアービターを有するシステム３０において、破線により示されるように、調停はバスサイクル２においてスレーブ装置Ａに対して起こり、バスサイクル３においてスレーブ装置Ｂに対して起こるであろう。破線で示すように、アービターは、バスサイクル３においてスレーブ装置Ａにリクエストを発行し、バスサイクル４においてスレーブ装置Ｂに対してリクエストを発行するであろう。スレーブ装置は、それぞれバスサイクル４および５において応答するであろう。マスタ装置ＭＯおよびＭＩは、各それぞれのスレーブアクノレジメントを受信すると、バストランザクションに移ってもよい。

１つ以上の実施形態において、複数のアービトレーションサイクルは、バス周波数より高いアービター周波数でアービターを動作させることにより１バス周波数クロックサイクルで実行される。図３の実線信号で描画されるように、バス周波数の２倍のアービター周波数で（この実施形態では）実行することによりアービターは、バスサイクル２でスレーブ装置ＡおよびＢの両方のための調停を実行する。従って、アービターはバスサイクル３でスレーブ装置ＡおよびＢの両方にリクエストを発行することができる。スレーブ装置ＡおよびＢの両方はバスサイクル４でアクノレジしてもよい。ＭＯとＭＩは両方ともバスサイクル５でバストランザクションを始めてもよい。バスサイクル５は、上で述べ、破線で図４に描画したケースより早いフルサイクルであり、アービターはバス周波数で動作する。同様に、アービターを３倍、４倍または他の倍数のバス周波数で動作させることにより、３つ、４つ、またはそれ以上のスレーブに向けられたリクエストは単一のバス周波数クロックサイクルで調停されてもよく、それぞれのバス調停が並列に進行することを可能にする。

これらの実施形態において、アービターの単一のインスタンスは、アービトレーションロジックの２重のインスタンスを必要とすることなく、複数のスレーブのための複数のバストランザクションリクエストを並列に調停してもよい。ここに使用されるように、アービターの単一のインスタンスは、スレーブ装置３６に向けられた１つ以上のバストランザクションリクエストの調停を実行するのに必要なロジックおよび構成情報を備える。バス周波数より高いアービター周波数でアービターを動作させることにより、各スレーブ装置３６のためのロジックとは対照的に、複数のバストランザクションリクエストは、調停ロジックの１つのインスタンスのみを用いて、調停されてもよい。これは、異なる周波数の少なくとも２つのクロック信号を発生し、送信することを犠牲にして、シリコンエリアを節約し、ルーチンの複雑さを低減し、電力を節約する。

ほとんどの実施形態において、アービター周波数は、必ずしも２＜ｎ＞倍数ではないけれども多少の倍数のバス周波数であろう（例えば、アービター周波数はバス周波数の３倍または５倍であってもよい）。これは、最大時間が各調停動作に供されることを可能にする。しかしながら、バス周波数の正確な倍数であるアービター周波数は、ここに開示された実施形態の限定ではない。一般に、少なくとも２つのバストランザクションリクエストが単一のバス周波数クロックサイクルで調停可能なように、アービター周波数は、単にバス周波数より十分に大きくてもよい。

図３のタイミング図は、単一の独創的なアービターを共有する２つの異なるスレーブ装置３６に向けられたバストランザクションを同時に要求する２つのマスタ装置ＭＯ、ＭＩを描画する。単一のマスタ装置３４がアービターを共有する２つの異なるスレーブ装置３６に向けられたバストランザクションを同時に要求するなら同じタイミング関係を生じる。例えば、マスタ装置３４は一方のスレーブ装置３６にリードトランザクションを命令し、他方のスレーブ装置にライトトランザクションを命令してもよい。あるいは、スレーブ装置３６が異なる応答待ち時間を有し、トランザクションが生じた時、類似のバストランザクションのための同時のリクエストはバス衝突を生じさせないであろうことをマスタ装置３４は知っていてもよい。

他の実施形態において、２つ以上のマスタ装置３４は、同じスレーブ装置３６に向けられたバストランザクションを同時に要求してもよい。スレーブ装置３６が十分なアドレスバスキャパシティを有するなら、同時に２つ以上のバストランザクションに従事することができるかもしれない。高アドレスバスキャパシティの一例は共有チャネルバス構造である。シリコンエリアを節約し、ルーチンの複雑さを低減するために、バス３０のアドレスチャネル機能性は、データ転送チャネルとマージされてもよい。例えば、アドレスバスはライトデータバスとチャネルを共有してもよい。システムが３２ビットリアル（ハードウエア）アドレススペースおよび１２８ビットライトデータバスを有するなら、アドレスおよびライトデータ機能性を、単一の１２８ビットのバスチャネルに多重化することは１つのアドレス転送サイクルで４つまでの別個のアドレスを転送可能にする。この場合、４つまでのマスタ装置３４（または、１つ以上のマスタ装置３４が複数のバスリクエストを発行するならそれより少ないマスタ装置）は、２以上のアドレスが同じスレーブ装置３６に向けられた状態で、同じサイクルでバストランザクションを要求してもよいしアドレスを発行してもよい。スレーブ装置３６が能力を有するなら、スレーブ装置３６はすべてのリクエストを受け入れ、複数の同時バストランザクションに従事してもよい。この実施形態において、単一のアービターは、バス周波数より大きなアービター周波数で動作することにより、単一のバス周波数クロックサイクルで、同じスレーブ装置３６に向けられたすべての複数のバストランザクションリクエストを調停してもよい。

１つ以上の実施形態において、アービター周波数は可変であってもよい。１つのバストランザクションリクエストのみが未解決のとき、アービター周波数はバス周波数に等しくてもよい。この実施形態において、アービターは、バス周波数クロックサイクルあたり１つの調停を実行する従来のアービターに似ている。これは、バスより高い周波数でアービターを動作させることに対して電力を節約する。そのようにすると、性能利益をもたらさない。

一実施形態において、アービター周波数が予測される。予測は、例えば最近の過去のバス活動に基いていてもよい。１つ以上のマスタ装置３４が複数のバストランザクションリクエストを発行している期間に、（異なるマスタ装置３４から同じスレーブ装置３６にまたはアービターを共有する異なるスレーブ装置３６にであろうとなかろうと）複数の調停の可能性に対してアービター周波数を増大させてもよい。例えば、一実施形態において、以前のｎのバスサイクルの期間中に未解決のバストランザクション要求の数を記憶し、調べて１つ以上の次のバスサイクルのために調停周波数を予測してもよい。他の実施形態において、複数の未解決のバストランザクションリクエストという事実は、プロセッサー分岐予測インプリメンテーションにおいてよく知られているように飽和カウンターをインクリメントしてもよい。複数の未解決のバストランザクションリクエストが無い長期間はカウンターをデクリメントしてもよい。カウンターのＭＳＢはより高いアービター周波数が採用されるべきかどうかの予測として使用されてもよい。当業者は、幅広い種類の技術がアービター周波数を予測するために採用されてもよいことを認識するであろう。

一実施形態において、以前の調停の結果を考察することにより次の調停の「インテリジェンス」を増加させるために、アービターはシーケンシャルな調停のシリアルな性質を利用してもよい。例えば、第１の調停動作が、マスタ装置３４からスレーブ装置３６へのライトリクエストを許可するなら、同じバス周波数クロックサイクル期間中に実行される次の調停は、そうでなければ許可されたであろう他のマスタ装置からの同じスレーブ装置３６へのライトリクエストを許可することを断り、スレーブ装置３６におけるライトデータの衝突を排除するようにしてもよい。

一実施形態において、アービターは、例えば各マスタ装置３４から各スレーブ装置３６にリードおよびライトトランザクションの各可能な組み合わせにビットを割り当てるペンディングバスステートレジスタを含んでいてもよい。アービターによる早期の調停決定は、関連するペンディングバスステートビットを設定してもよい。アービター内のロジックはこれらの調停決定の結果、例えば、更新されたペンディングバスステートを利用して、同じバス周波数クロックサイクル内でより理知的に次の調停決定を行ってもよい。これは、バストラフィックを最適化し、衝突とボトルネックを回避することにより、（バス周波数クロックサイクルあたりの複数の調停の性能改善を超えて）より高い性能を生じるかもしれない。

アービターをバス周波数より高いアービター周波数で動作させることにより単一のバス周波数クロックサイクルで複数のバストランザクションリクエスト調停を実行することは、調停ロジックの複数のインスタンスの犠牲なしに並列調停を可能とすることにより性能を増加させる。後の調停動作は、入力として以前の調停決定の結果を有するので、複数の調停のシリアルな性質は、より理知的な調停決定を可能にする。電力を節約するために、複数の要求が未解決でないとき、調停周波数は、バス周波数に減速してもよい。ロウバス利用の期間中の電力保存と、ヘビーバス利用の期間中の改善された性能とのバランスを取るために、調停周波数は予測されてもよい。

この発明は特定の特徴、観点および実施形態に関してここに記載されたけれども多数の変形物、変更、及び他の実施形態は、この発明の広い範囲内で可能であり、従って、すべての変形物、変更および実施形態は、この発明の範囲内にあると見なされるべきである。それゆえ、この実施形態は、あらゆる面で実例として解釈されるべきであり、制限するものとして解釈されるべきでない。添付されたクレームの意味と、等価な範囲内に入るすべての変更は、クレーム中の包含されることを意図している。

図１は従来技術のコンピューターバスの機能ブロック図である。 図２はクロスバーバスの機能ブロック図である。 図３はクロスバーアービトレーションサイクルのタイミング図である。

Claims (17)

1. バス周波数において動作するバスと、
   バスに接続され、バストランザクションを要求する少なくとも１つのマスタ装置と、
   バスに接続され、バストランザクションに従事する少なくとも１つのスレーブデバイスと、
   バス周波数より大きいアービター周波数で動作することにより単一のバス周波数クロックサイクルで１つ以上のトランザクションリクエストを調停するアービターと、
   を備えた、システム。
2. 前記アービターは調停ロジックの単一のインスタンシエーションを備える、請求項１の方法。
3. アービター周波数はバス周波数の倍数である、請求項１の方法。
4. 前記スレーブ装置は、少なくとも２つのアドレスパスを含み、
   ２つのマスタ装置は、バストランザクションをスレーブ装置に同時に要求し、
   前記アービターは、単一バス周波数クロックサイクルで両方のマスタ装置に許可を発行する、請求項１の方法。
5. 前記マスタ装置はバストランザクションを２つのスレーブ装置に同時に要求し、
   前記アービターは、単一のバス周波数クロックサイクルで、両方のスレーブ装置のためにマスタ装置に許可を発行する、請求項１の方法。
6. １つより多くないバストランザクションリクエストがアサートされるなら、アービター周波数はバス周波数に等しい、請求項１の方法。
7. 前記アービター周波数はバストランザクションリクエスト活動に応答して予測される、請求項１の方法。
8. 前記アービターは、単一のバス周波数クロックサイクルで少なくとも第１および第２のバストランザクションリクエストをシーケンシャルに調停し、前記第２のリクエストの調停は、前記第１のリクエストの調停の結果を含む、請求項１の方法。
9. 前記アービターは、ペンディングバストランザクションの状態を維持する、請求項８の方法。
10. バス周波数において動作するバス内の複数のバストランザクションリクエストを調停する方法において、
    前記バス周波数より大きなアービター周波数でアービターを動作させることと、
    １バス周波数クロックサイクルで複数のバストランザクションリクエストを調停することと、
    を備えた方法。
11. 前記アービター周波数は前記バス周波数の倍数である、請求項１０の方法。
12. 前記アービターは各アービター周波数クロックサイクルでバストランザクションリクエストを調停する、請求項１１の方法。
13. 前記アービターは単一のバス周波数クロックサイクルで少なくとも第１および第２のバストランザクションリクエストをシーケンシャルに調停し、前記第２のリクエストの調停は、前記第１のリクエストの調停の結果を含む、請求項１２の方法。
14. 前記アービターは、ペンディングバストランザクションの状態を維持する、請求項１３の方法。
15. 前記アービター周波数は可変である、請求項１０の方法。
16. 前記アービター周波数はバス活動に基いて予測される、請求項１５の方法。
17. 唯一つのバスリクエストがペンディングなら、前記アービター周波数は前記バス周波数に等しい、請求項１０の方法。

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