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程一般需要進過三個階段：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，由路由查找表對目標(biāo)地址進行查找，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)提供仲裁機制進行發(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)計方案進行電路設(shè)計的實驗結(jié)果表明，采用流水線設(shè)計技術(shù)實現(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隊列中隨機選擇M個隊列，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隊列頭信元通過交換開關(guān)直接到達輸出隊列，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制了。當(dāng)數(shù)據(jù)流進入輸入端后，根據(jù)包頭地址查找路由表，確定要發(fā)送的輸出端，然后進行發(fā)送，當(dāng)多個輸入端進行傳送時，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。基本思想是利用流水線將時間令牌輪流分給每個輸入節(jié)點，還可根據(jù)具體的一些情況對路由算法進行優(yōu)化。此項工作目前正在進行中?；谶@種流水線技術(shù)設(shè)計的 SpaceWire路由器，速度將會達到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。目前此項研究正在實現(xiàn)過程中。