一種基于流水線的SpaceWire路由器研究
如果路由器中有兩個以上輸入端向同一個輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)時,就會對路由器內(nèi)部的讀寫操作產(chǎn)生爭奪。這時,路由器應(yīng)提供仲裁機(jī)制進(jìn)行發(fā)送優(yōu)先級的確定。仲裁后,得到發(fā)送權(quán)的輸入端向輸出端口發(fā)送一個包。也就是說,在同一時間內(nèi),路由器中只能有一個輸入端進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)這個輸入端發(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)計一個基于流水線技術(shù)的無阻塞的并行交換開關(guān)(如圖5)。
對于SpaceWire路由器內(nèi)部數(shù)據(jù)流包頭的檢測和數(shù)據(jù)重排電路的設(shè)計復(fù)雜、規(guī)模較大。為了簡化電路設(shè)計的復(fù)雜度、降低電路功耗、提高系統(tǒng)工作可靠性,針對輸入數(shù)據(jù)流的包頭檢測及數(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。圖6為采用事務(wù)處理流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)包頭檢測及數(shù)據(jù)重排電路方案框圖。采用此設(shè)計方案進(jìn)行電路設(shè)計的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用流水線設(shè)計技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電路其規(guī)模比原來電路減少了50%。
圖6所示的為并行交換體系結(jié)構(gòu),設(shè)計用FPGA實(shí)現(xiàn)K個M×M的無緩存的交叉開關(guān)作為交換模塊。這個體系結(jié)構(gòu)是由M個輸入共享存儲器模塊、K個交叉開關(guān)和M個輸出共享存儲模塊組成。每個輸入/輸出共享存儲器模塊有V個外部線路接口,同時與所有交叉開關(guān)相連接。
輸入共享存儲器模塊包含(M*V)個VOQ(虛擬輸出隊(duì)列),保存輸出到不同目的端口的信元。輸出共享存儲器模塊包含V個輸出隊(duì)列,保存等待輸出的信元。在每個仲裁周期,輸入端口從(M*V)個VOQ隊(duì)列中隨機(jī)選擇M個隊(duì)列,向交換開關(guān)提交調(diào)度請求。交換開關(guān)以輪詢方式為各隊(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)列頭信元通過交換開關(guān)直接到達(dá)輸出隊(duì)列,完成報文重組等處理后,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)制及時阻止輸入端發(fā)送過量信元。
在多個輸入端向一個輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)時,在交換開關(guān)中利用流水線技術(shù)讓多個輸入端分時向輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)。也可以在每個輸入端都復(fù)制一個路由查找表,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)多個輸入端進(jìn)行傳送時,就會給每個輸入端分配一個時間令牌,當(dāng)自己的時間令牌有效時,就進(jìn)行傳輸,當(dāng)時間令牌失效時,停止傳輸,直到將所有數(shù)據(jù)傳輸完畢。而時間令牌的分配,由路由算法來控制?;舅枷胧抢昧魉€將時間令牌輪流分給每個輸入節(jié)點(diǎn),還可根據(jù)具體的一些情況對路由算法進(jìn)行優(yōu)化。此項(xiàng)工作目前正在進(jìn)行中。基于這種流水線技術(shù)設(shè)計的SpaceWire路由器,速度將會達(dá)到200 Mb/s。從而使SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸更加快速,也會實(shí)現(xiàn)各輸入端到輸出端的同時訪問。
3 結(jié) 語
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)計一種基于流水線技術(shù)的交換開關(guān)。SpaceWire路由器符合未來航天航空領(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,具有很高的研究價值。目前此項(xiàng)研究正在實(shí)現(xiàn)過程中。
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