12 / 63 · Теория

Шифратор и приоритет: выбор одного из нескольких запросов

Различайте условие one-hot для обычного шифратора и выходы приоритетного шифратора: valid и результат выбора.

Обратное преобразование тоже требует условий

Дешифратор^{Дешифратор активирует выходную линию, соответствующую двоичному коду. При наличии enable неактивное разрешение может устанавливать все выходы в 0. Подробнее} превращает адрес в линии выбора one-hot^{One-hot — представление, в котором ровно один бит равен 1. Если допускаются также все нули, это отдельно называют one-hot-or-zero. Подробнее}. Шифратор преобразует позицию активного входа в адрес. Но обычный one-hot-шифратор предполагает, что включён только один вход. Для нескольких единиц нужна дополнительная спецификация выбора позиции.

Для четырёх запросов $r_3r_2r_1r_0$ зададим приоритет большего номера. При всех нулях valid=0, index=00. Определять отсутствие запроса только по index=00 нельзя: это также индекс r0.

Вход r3r2r1r0	valid	index
1---	1	11
01--	1	10
001-	1	01
0001	1	00
0000	0	00

Знак - означает одинаковый результат и для 0, и для 1. Он не разрешает подавать симуляционное X. Шаблоны сверху вниз определены как взаимно исключающие.

valid=r_3+r_2+r_1+r_0,\quad index_1=r_3+r_2,\quad index_0=r_3+\overline{r_2}r_1

При 1011 index=11. При 0110 r2 приоритетнее r1, поэтому index=10.

Каждый столбец — независимая комбинация запросов

Показать данные диаграммы

Данные диаграммы: каждый символ — один интервал; точка сохраняет предыдущее состояние; p — один тактовый цикл.
Сигнал	Диаграмма	Значения шины
запросы	`234523`	0000 → 0001 → 0011 → 0110 → 1011 → 1000
valid	`01....`
index	`2.345.`	00 → 01 → 10 → 11

RTL должен явно показывать приоритет

SystemVerilog
always_comb begin
  valid = |request;
  index = 2'b00;
  if      (request[3]) index = 2'd3;
  else if (request[2]) index = 2'd2;
  else if (request[1]) index = 2'd1;
end

Если единица только в request[0], остаётся index=0 по умолчанию, valid=1. Значения по умолчанию для всех путей не дают комбинационной схеме приобрести память. Проверяя 16 входов, при valid=1 убедитесь: выбранный бит равен 1, а все биты выше него — 0.

Выбор и справедливость — разные задачи

Если r3 постоянно равен 1, r0 никогда не выбирается. Эта схема реализует только фиксированный приоритет. Для справедливого обслуживания нужен арбитраж с памятью предыдущего выбора, то есть последовательностная схема.

Практикум · наблюдайте запрос, адрес и grant вместе

Выберите один из одновременных запросов

r3r2r1r0=1011; valid=1; index=11; grant=1000. Приоритет выше у запросов с большим номером. При valid=0 index не указывает выбранный запрос.

В начальном запросе 1011 выбирается r3. Выключите r3: выбирается r1, index=01, grant=0010. Пока r1=1, включение и выключение r0 не должно менять выбор.

Сравните «Выключить все» с включённым только r0. В обоих случаях index=00, но valid и grant различаются. Если следующий блок читает лишь index, он может обработать несуществующий запрос.

Grant с единицей только у выбранного запроса получается повторным декодированием index и valid.

grant_i=valid\land(index=i)

Проверяйте три инварианта: в grant не более одной единицы; на её позиции действительно есть запрос; все запросы с номером выше выбранного равны 0. Упражнение не потребляет запросы и не хранит предыдущий выбор. Ожидание младших запросов при постоянно включённом r3 — свойство фиксированного приоритета.

Попробуйте сами

Укажите index, valid и grant для запросов 0101 и 0001. Почему нельзя обрабатывать r0 при запросе 0000 лишь потому, что index=00?

Прочитать объяснение

Для 0101: index=10, valid=1, grant=0100. Для 0001: index=00, valid=1, grant=0001. При 0000 index=00 — лишь значение по умолчанию; valid=0 и grant=0000 означают отсутствие запроса.