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FPGA研發(fā)之道(22)-交換矩陣

作者: 時間:2014-12-02 來源:網(wǎng)絡 收藏

  如果在設計中,需要多端口,大數(shù)據(jù)量的交換,那么則是一個不錯的實現(xiàn)方案。使用的目的主要有幾個,一,靈活的端口轉發(fā)。通過靈活實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的靈活交換,減少外部負責控制。 二,高效的轉發(fā)效率,交換矩陣能夠實現(xiàn)通常單一總線不能達到的轉發(fā)效率,滿足高吞吐量的系統(tǒng)的需要。三,系統(tǒng)設計以交換矩陣為中心,便于IP集成和模塊復用。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/266274.htm

  交換矩陣的實現(xiàn)方案較為復雜,最早的交換沿襲了共享總線式的架構,因此對于某個端口需要傳輸,則其他端口只能阻塞,等待總線空閑后再進行傳輸。而交換矩陣則是一個全互聯(lián)的結構。如下圖所示,如有4個輸入,4個輸出的交換矩陣,可認為是一個4端口的交換單元,每個端口包含一個發(fā)送接口和一個接收模塊,如端口0就包含發(fā)送模塊m0和接收模塊s0。

  

 

  假設每路傳輸?shù)乃俾蕿镹,則整個交換矩陣的傳輸速率為4N。如何實現(xiàn)一個簡單的交換矩陣。首先可以將整速率個設計分割。將整個設計分割為接受和發(fā)送兩個模塊。整個交換單元可以劃分為四個部分,分別是,發(fā)送模塊,仲裁模塊,交換模塊,接收模塊。

  (1) 發(fā)送模塊,首先根據(jù)某端口接收數(shù)據(jù)后,根據(jù)該數(shù)據(jù)幀要轉發(fā)的端口,發(fā)起請求信號。

  (2) 仲裁模塊:根據(jù)請求信號,接收模塊的忙閑狀態(tài),及各發(fā)送模塊的優(yōu)先級,確定當前的響應信號,如果當前的接收模塊忙(上次傳輸未完成),則需要阻塞,等待上次傳輸完成(復雜的設計,可以保證高優(yōu)先級能夠打斷當前傳輸,直接傳輸高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流,高優(yōu)先級完成后,再恢復原有傳輸,但這種方式設計較為復雜,仿真驗證的難度也較大,不建議使用)。

  (3) 交換模塊:根據(jù)仲裁信號確定發(fā)送模塊轉發(fā)的端口,交換模塊本質上是多選一的MUX,而MUX的選擇信號,則是由仲裁模塊來進行選擇。

  (4) 接收模塊:接收交換模塊交換后的數(shù)據(jù)流,向仲裁模塊返回當前模塊的忙閑狀態(tài)(正在接收傳輸信號,為忙狀態(tài),而當前無傳輸狀態(tài),則為閑狀態(tài))。

  仲裁模塊的仲裁機制,一般可以使用簡單的round-robin的設計,即輪流最高優(yōu)先級。也可以通過設計帶加權的優(yōu)先級,保證更高優(yōu)先級的端口優(yōu)先進行傳輸。

  仲裁模塊的仲裁設計可以分為多種,一種是整個交換矩陣使用同一個仲裁單元,每個發(fā)送模塊只使用一個請求信號及請求端口號連接到仲裁模塊。這種設計對整個仲裁模塊設計難度較大。另一種設計,如下圖所示,即每個接收單元,配置一個仲裁模塊,和一個交換模塊。而每個發(fā)送模塊根據(jù)要發(fā)送的端口,使用多個發(fā)送的請求信號。此種設計便于系統(tǒng)擴展,也可簡化設計。

  

 

  不僅是用于高速多端口轉發(fā)的數(shù)據(jù)流傳輸采用交換矩陣。現(xiàn)在,大多高速總線機制(如N主設備,M從設備之間進行數(shù)據(jù)的交換)也采用類似交換矩陣式的結構,每個從設備的連接都是多個主設備通過MUX來進行連接,這樣保證多個主設備訪問不同從設備時,可以實現(xiàn)并行的數(shù)據(jù)交換(如主設備M0訪問從設備S1,主設備M1訪問從設備S2,可以同時進行總線操作)。這是單一競爭式總線所不能達到的優(yōu)勢,但是,設計占用的邏輯量也會增加。性能的增加帶來的負面影響通常就是邏輯的增加。

  交換矩陣通常在基于數(shù)據(jù)包轉發(fā)的設計應用中,交換矩陣的交換靈活性增加,也會增加設計復雜度,如果對于傳輸效率不需太多的需求,可以采用系統(tǒng)復用的方式(前文介紹),通過一個復用模塊輪流接收各個發(fā)送端口的數(shù)據(jù)流,,再根據(jù)端口轉發(fā)到各個從設備中,此種方式設計簡單,但是此復用模塊則會成為系統(tǒng)的瓶頸。根據(jù)系統(tǒng)的設計需求,選擇適合的設計,達到性能和邏輯方面的平衡,是體現(xiàn)設計藝術之一。

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關鍵詞: FPGA 交換矩陣

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