一種基于流水線(xiàn)的SpaceWire路由器研究

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)送數據時(shí)，就會(huì )對路由器內部的讀寫(xiě)操作產(chǎn)生爭奪。這時(shí)，路由器應提供仲裁機制進(jìn)行發(fā)送優(yōu)先級的確定。仲裁后，得到發(fā)送權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，路由器中只能有一個(gè)輸入端進(jìn)行數據的發(fā)送。當這個(gè)輸入端發(fā)送完畢后，其他輸入端再進(jìn)行數據的發(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，研究設計了一種基于流水線(xiàn)技術(shù)的Spacewire路由器。關(guān)鍵技術(shù)是設計一個(gè)基于流水線(xiàn)技術(shù)的無(wú)阻塞的并行交換開(kāi)關(guān)(如圖5)。

對于SpaceWire路由器內部數據流包頭的檢測和數據重排電路的設計復雜、規模較大。為了簡(jiǎn)化電路設計的復雜度、降低電路功耗、提高系統工作可靠性，針對輸入數據流的包頭檢測及數據重排電路，采用事務(wù)處理流水線(xiàn)技術(shù)實(shí)現電路方案設計。圖6為采用事務(wù)處理流水線(xiàn)技術(shù)實(shí)現包頭檢測及數據重排電路方案框圖。采用此設計方案進(jìn)行電路設計的實(shí)驗結果表明，采用流水線(xiàn)設計技術(shù)實(shí)現的電路其規模比原來(lái)電路減少了50％。

圖6所示的為并行交換體系結構，設計用FPGA實(shí)現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)體系結構是由M個(gè)輸入共享存儲器模塊、K個(gè)交叉開(kāi)關(guān)和M個(gè)輸出共享存儲模塊組成。每個(gè)輸入／輸出共享存儲器模塊有V個(gè)外部線(xiàn)路接口，同時(shí)與所有交叉開(kāi)關(guān)相連接。
輸入共享存儲器模塊包含(M*V)個(gè)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(gè)輸出隊列，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隊列中隨機選擇M個(gè)隊列，向交換開(kāi)關(guān)提交調度請求。交換開(kāi)關(guān)以輪詢(xún)方式為各隊列提供服務(wù)，根據調度結果將授權信息反饋給輸入端口。授權信息指定的VOQ隊列頭信元通過(guò)交換開(kāi)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)生緩沖區溢出，可采用反壓機制及時(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)送數據時(shí)，在交換開(kāi)關(guān)中利用流水線(xiàn)技術(shù)讓多個(gè)輸入端分時(shí)向輸出端發(fā)送數據。也可以在每個(gè)輸入端都復制一個(gè)路由查找表，這樣在就不需要仲裁機制了。當數據流進(jìn)入輸入端后，根據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，當自己的時(shí)間令牌有效時(shí)，就進(jìn)行傳輸，當時(shí)間令牌失效時(shí)，停止傳輸，直到將所有數據傳輸完畢。而時(shí)間令牌的分配，由路由算法來(lái)控制?；舅枷胧抢昧魉€(xiàn)將時(shí)間令牌輪流分給每個(gè)輸入節點(diǎn)，還可根據具體的一些情況對路由算法進(jìn)行優(yōu)化。此項工作目前正在進(jìn)行中。基于這種流水線(xiàn)技術(shù)設計的SpaceWire路由器，速度將會(huì )達到200 Mb／s。從而使SpaceWire網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸更加快速，也會(huì )實(shí)現各輸入端到輸出端的同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。

3 結 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(xiàn)技術(shù)的SpaceWire路由器的研究，關(guān)鍵技術(shù)是用FPGA設計一種基于流水線(xiàn)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。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(jià)值。目前此項研究正在實(shí)現過(guò)程中。