Bộ giới hạn tốc độ token bucket: xô đầy, cấp và nạp cùng nhịp

Token bucket là thuật toán giới hạn tốc độ có ở khắp nơi: QoS của router, bộ điều khiển DMA, giới hạn băng thông cổng ngoại vi. Xô chứa tối đa MAX token; cứ PERIOD nhịp xô được thêm một token; mỗi yêu cầu được cấp tiêu một token. Nhờ vậy có thể cấp một loạt dồn dập (burst) tới MAX yêu cầu, nhưng tốc độ trung bình không vượt 1 yêu cầu mỗi PERIOD nhịp.

module token_bucket #(
  parameter int MAX    = 4,    // 1..255
  parameter int PERIOD = 5     // ≥ 1
) (
  input  logic       clk,
  input  logic       rst_n,    // reset bất đồng bộ, tích cực mức thấp
  input  logic       req,
  output logic       grant,
  output logic [7:0] tokens
);

Đặc tả:

1. Sau reset: tokens = MAX (xô đầy).
2. grant = req && tokens > 0 (tổ hợp, trong cùng nhịp với req).
3. Bộ định thời chạy tự do từ lúc nhả reset: tại cạnh lên thứ PERIOD, 2·PERIOD, 3·PERIOD… sau khi nhả reset có một sự kiện nạp (refill = 1), kể cả khi xô đang đầy.
4. Tại mỗi cạnh lên: tokens ← min(MAX, tokens − grant + refill).

Điều 4 nghĩa là: nếu xô đầy, và trong cùng một nhịp vừa cấp một token vừa có sự kiện nạp, thì xô vẫn đầy.

Testbench gắn ba bản: (MAX = 4, PERIOD = 5), (MAX = 10, PERIOD = 1) và (MAX = 1, PERIOD = 8), đổi req ở cạnh xuống và kiểm grant, tokens 1 ns sau.