一種基于流水線的SpaceWire路由器研究

　　2 基于流水線的SpaceWire路由器

　　SpaceWire路由器將數(shù)據(jù)從輸入端傳遞到輸出端的過(guò)程一般需要進(jìn)過(guò)三個(gè)階段：首先，從輸入端讀數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)包中包頭所包含的目標(biāo)地址發(fā)送給路由查找表;再次，由路由查找表對(duì)目標(biāo)地址進(jìn)行查找，確定該數(shù)據(jù)包所要發(fā)送的輸出端;最后，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目標(biāo)地址所指的輸出端。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　如果路由器中有兩個(gè)以上輸入端向同一個(gè)輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)對(duì)路由器內(nèi)部的讀寫(xiě)操作產(chǎn)生爭(zhēng)奪。這時(shí)，路由器應(yīng)提供仲裁機(jī)制進(jìn)行發(fā)送優(yōu)先級(jí)的確定。仲裁后，得到發(fā)送權(quán)的輸入端向輸出端口發(fā)送一個(gè)包。也就是說(shuō)，在同一時(shí)間內(nèi)，路由器中只能有一個(gè)輸入端進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)這個(gè)輸入端發(fā)送完畢后，其他輸入端再進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。這樣極大地降低了路由器的工作效率。

　　為了改善路由器的傳輸速度，研究設(shè)計(jì)了一種基于流水線技術(shù)的Spacewire路由器。關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于流水線技術(shù)的無(wú)阻塞的并行交換開(kāi)關(guān)(如圖5)。

　　對(duì)于SpaceWire路由器內(nèi)部數(shù)據(jù)流包頭的檢測(cè)和數(shù)據(jù)重排電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜、規(guī)模較大。為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、降低電路功耗、提高系統(tǒng)工作可靠性，針對(duì)輸入數(shù)據(jù)流的包頭檢測(cè)及數(shù)據(jù)重排電路，采用事務(wù)處理流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)電路方案設(shè)計(jì)。圖6為采用事務(wù)處理流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)包頭檢測(cè)及數(shù)據(jù)重排電路方案框圖。采用此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用流水線設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電路其規(guī)模比原來(lái)電路減少了50%。

　　圖6所示的為并行交換體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)用FPGA實(shí)現(xiàn)K個(gè)M×M的無(wú)緩存的交叉開(kāi)關(guān)作為交換模塊。這個(gè)體系結(jié)構(gòu)是由M個(gè)輸入共享存儲(chǔ)器模塊、K個(gè)交叉開(kāi)關(guān)和M個(gè)輸出共享存儲(chǔ)模塊組成。每個(gè)輸入/輸出共享存儲(chǔ)器模塊有V個(gè)外部線路接口，同時(shí)與所有交叉開(kāi)關(guān)相連接。

　　輸入共享存儲(chǔ)器模塊包含(M*V)個(gè)VOQ(虛擬輸出隊(duì)列)，保存輸出到不同目的端口的信元。輸出共享存儲(chǔ)器模塊包含V個(gè)輸出隊(duì)列，保存等待輸出的信元。在每個(gè)仲裁周期，輸入端口從(M*V)個(gè)VOQ隊(duì)列中隨機(jī)選擇M個(gè)隊(duì)列，向交換開(kāi)關(guān)提交調(diào)度請(qǐng)求。交換開(kāi)關(guān)以輪詢(xún)方式為各隊(duì)列提供服務(wù)，根據(jù)調(diào)度結(jié)果將授權(quán)信息反饋給輸入端口。授權(quán)信息指定的VOQ隊(duì)列頭信元通過(guò)交換開(kāi)關(guān)直接到達(dá)輸出隊(duì)列，完成報(bào)文重組等處理后，發(fā)送到外部鏈路。為了避免輸出端發(fā)生緩沖區(qū)溢出，可采用反壓機(jī)制及時(shí)阻止輸入端發(fā)送過(guò)量信元。

　　在多個(gè)輸入端向一個(gè)輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在交換開(kāi)關(guān)中利用流水線技術(shù)讓多個(gè)輸入端分時(shí)向輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)。也可以在每個(gè)輸入端都復(fù)制一個(gè)路由查找表，這樣在就不需要仲裁機(jī)制了。當(dāng)數(shù)據(jù)流進(jìn)入輸入端后，根據(jù)包頭地址查找路由表，確定要發(fā)送的輸出端，然后進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)多個(gè)輸入端進(jìn)行傳送時(shí)，就會(huì)給每個(gè)輸入端分配一個(gè)時(shí)間令牌，當(dāng)自己的時(shí)間令牌有效時(shí)，就進(jìn)行傳輸，當(dāng)時(shí)間令牌失效時(shí)，停止傳輸，直到將所有數(shù)據(jù)傳輸完畢。而時(shí)間令牌的分配，由路由算法來(lái)控制?；舅枷胧抢昧魉€將時(shí)間令牌輪流分給每個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，還可根據(jù)具體的一些情況對(duì)路由算法進(jìn)行優(yōu)化。此項(xiàng)工作目前正在進(jìn)行中?；谶@種流水線技術(shù)設(shè)計(jì)的 SpaceWire路由器，速度將會(huì)達(dá)到200 Mb/s。從而使SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸更加快速，也會(huì)實(shí)現(xiàn)各輸入端到輸出端的同時(shí)訪問(wèn)。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　介紹了SpaceWire路由器的基本原理，重點(diǎn)闡述了一種基于流水線技術(shù)的SpaceWire路由器的研究，關(guān)鍵技術(shù)是用FPGA設(shè)計(jì)一種基于流水線技術(shù)的交換開(kāi)關(guān)。SpaceWire路由器符合未來(lái)航天航空領(lǐng)域的發(fā)展需求，所以spaceWire路由器速度是非常關(guān)鍵的指標(biāo)。本文就是介紹了一種改善 Spacewire路由器的速度的方法，具有很高的研究?jī)r(jià)值。目前此項(xiàng)研究正在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中。