基于FPGA的共享總線(xiàn)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現多CPU共享內存

現代小衛星，通常指80年代以后發(fā)展起來(lái)的小衛星。它建立在微電子技術(shù)，計算機（包括軟件）、微型光學(xué)和機械、輕型復合材料及高精機械加工的基礎上，是航天高技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。雖然現代小衛星的體積和重量很小，成本和風(fēng)險都很低，但由于選用了高新技術(shù)，整個(gè)小衛星的容量和性能，即小衛星的功能密度是很高的。而且小衛星組成星座可拓寬全新的應用領(lǐng)域，能滿(mǎn)足通訊、遙感、對地觀(guān)測、科學(xué)技術(shù)試驗及軍事等各方面的需求。因此，現代小衛星已作為大衛星的必要補充在上述領(lǐng)域顯示出特有的優(yōu)勢，引起了世界各國，包括許多發(fā)展中國家和尚無(wú)衛星研制能力的中小國家的普遍重視。

然而，近地空間和大氣環(huán)境影響著(zhù)空間系統的規模、質(zhì)量、復雜性、可應用的高科技技術(shù)和成本，強烈地影響空間系統的運行性能和工作壽命。一些空間環(huán)境的相互影響也限制了空間系統技術(shù)潛力的發(fā)揮，使部件或分系統工作不正常，甚至損壞。等離子環(huán)境，特別是處于對地靜止軌道的等離子環(huán)境，能使裝在衛星外表面的設備和部件不均勻帶電，這些表面電荷產(chǎn)生的電壓可能超過(guò)擊穿電壓，從而導致靜電放電，足以毀壞電子元器件。許多高能空間輻射甚至深入到絕緣器件內部，在絕緣電纜和線(xiàn)路板中產(chǎn)生靜電放電。這種體電荷能干擾分系統信號或中斷電子器件的正常工作。輻射帶中的俘獲粒子、太陽(yáng)耀斑質(zhì)子和銀河宇宙射線(xiàn)能在微電子器件中誘發(fā)單粒子翻轉事件。這種高能輻射的總劑量效應降低了微電子器件、太陽(yáng)電池陣和敏感器件的性能。因此，為保證整個(gè)系統的正常運轉和壽命，很多地方都必須選用宇航級的器件和進(jìn)行冗余設計。

單就星載計算機而言，到目前為止，高集成密度、高性能的CPU和內存還沒(méi)有相應的宇航級器件，在星上用的最多的還是8086和1750A等核加固的、抗輻射的、低帶寬、低MIPS的CPU，靠單片CPU很難滿(mǎn)足現代和未來(lái)小衛星星上自主管理、自主定規、對地觀(guān)測圖象的壓縮和傳輸、硬件功能軟件化等諸多要求；而且單片CPU一旦損壞，將導致整個(gè)衛星失效，又由于其價(jià)格極其昂貴，采用冗余的方案勢必大大提高小衛星的成本。而在采用多CPU并行處理技術(shù)后，不僅可以滿(mǎn)足星上計算機數據處理能力的要求，而且增加了整個(gè)系統的可靠性。一到兩片CPU的損壞不致引起整個(gè)衛星的失效，至多在系統重配置后損失一些性能，甚至可以在保證一定可靠性的前提下，考慮采用軍用級的、價(jià)格相對便宜，密度和性能都較高的CPU。

圍繞小衛星體積小、重量輕和價(jià)格低廉的特點(diǎn)，一個(gè)多CPU共享內存的系統（CPU仍然采用有相應宇航級器件的8086）將是比較合適的選擇。同時(shí)為了提高共享內存的數據通信帶寬，使其不成為整個(gè)系統的瓶頸，本文提出了一個(gè)用ASIC設計一個(gè)共享總線(xiàn)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )（簡(jiǎn)稱(chēng)SBSN，下同），組合成Omega網(wǎng)絡(luò )的方案，以消除對某一組內存的總線(xiàn)競爭，實(shí)現多CPU對共享分組存儲系統的低位交叉并行訪(fǎng)問(wèn)。

１ SBSN實(shí)現的Omega網(wǎng)絡(luò )

SBSN是一個(gè)2×2的開(kāi)關(guān)，可以級聯(lián)使用以實(shí)現個(gè)CPU和個(gè)內存組的連接，這樣的連接共有N級，從輸入到輸出依次編為0～N－1，通過(guò)對二進(jìn)制目的內存組的編碼來(lái)控制數據路徑：從高位開(kāi)始的第I位為0時(shí)，第I級的2×2開(kāi)關(guān)的輸入端與上輸出端連接，否則輸入端與下輸出端連接（參見(jiàn)圖1）。

從理論上說(shuō)，采用SBSN，N（=，k為正整數）個(gè)CPU一次訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)只能占10。16％，所有其它的置換將引起阻塞。但盡管如此，N個(gè)CPU的Omega網(wǎng)絡(luò )實(shí)現非阻塞連接最多需要通過(guò)的次數為，從總體上講，Omega網(wǎng)絡(luò )的采用能增加內存總線(xiàn)的帶寬，大大提高總線(xiàn)數據的吞吐能力。

2 SBSN的設計與實(shí)現

作為共享總線(xiàn)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )，SBSN主要是解決總線(xiàn)之間的共享競爭與沖突死鎖，將來(lái)自多個(gè)CPU的內存讀寫(xiě)信號分配到相應的內存模塊組。其內部結構框圖如圖2所示。

為了描述CPU間的共享與競爭，我們把CPU對內存組的訪(fǎng)問(wèn)分為HOLD，READY，RUN這三種關(guān)系。當一個(gè)CPU進(jìn)入總線(xiàn)讀寫(xiě)之后，SBSN在總線(xiàn)周期的前兩個(gè)時(shí)鐘將CPU發(fā)送到總線(xiàn)上的數據進(jìn)行鎖存：如果數據通路已被占用，當前CPU就會(huì )進(jìn)入HOLD狀態(tài)，直到數據通路釋放。也就是說(shuō)，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU要求同時(shí)對同一內存組進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的話(huà)，則只能有一個(gè)CPU獲得訪(fǎng)問(wèn)權，其它的必須等待該CPU總線(xiàn)讀寫(xiě)周期的結束，在此之后，處于 HOLD狀態(tài)的優(yōu)先級最高的CPU才會(huì )被釋放；如果通路暢通，SBSN經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的READY狀態(tài)后，在輸出端口仿真出CPU總線(xiàn)周期前兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)序信號，向下一級傳遞。在理想情況下，8個(gè)CPU可以同時(shí)對內存進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，即8個(gè)CPU都處在RUN狀態(tài)。

因為系統在運行過(guò)程中，總是由CPU主動(dòng)向內存發(fā)出讀或寫(xiě)的請求，并不存在一個(gè)環(huán)狀閉合的數據通路，所以不會(huì )有沖突死鎖的情況出現。

SBSN可以支持高位交叉和低位交叉這兩種對存儲系統的訪(fǎng)問(wèn)方式：對20位地址總線(xiàn)來(lái)說(shuō)，如果采取低位交叉尋址方式，那么系統目標模塊的編碼由地址總線(xiàn)的 A2，A1給出，A0和BHE信號用來(lái)對低8位和高8位尋址；如果采取高位交叉尋址方式，那么系統目標模塊的編碼由地址總線(xiàn)的高四位決定，具體采用哪兩位，則取決于內存的編址。低位交叉主要用于對共享內存的并行訪(fǎng)問(wèn)，高位交叉則主要用于一CPU對另一CPU的局部?jì)却妫p口）進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

采用硬件描述語(yǔ)言（HDL）的輸入方法進(jìn)行SBSN的設計，雖然有可能會(huì )犧牲一些FPGA資源，但方便了在不同廠(chǎng)家的FPGA上進(jìn)行邏輯綜合和實(shí)現的過(guò)程。因為宇航級的FPGA在XILINX和ACTEL都有生產(chǎn)，但兩者實(shí)現的機理不同：XILINX的FPGA是SRAM型的，因此使用時(shí)還必須配備相應的SROM以實(shí)現對FPGA片子的加電下載，但它可以進(jìn)行多次刷新和修改，便于在設計階段進(jìn)行調試；ACTEL的宇航級FPGA采用的熔斷絲技術(shù)，只能一次編程下傳，實(shí)際應用時(shí)不需任何輔助器件，但缺點(diǎn)是設計的每一次修改都必須換用新的FPGA片子。對于原理樣機階段而言，主要著(zhù)眼于功能和時(shí)序的實(shí)現，因此本文采用XILINX公司的商業(yè)級FPGA（XCS20－4PQ208C）進(jìn)行設計與調試。XCS20－4PQ208C屬于SPARTAN系列，是 XILINX公司新近推出的產(chǎn)品。與4000系列相比，SPARTAN中去掉了許多不常用的資源，在價(jià)格上可以便宜很多，對于SBSN來(lái)講，最重要的是滿(mǎn)足其多達140個(gè)用戶(hù)的I／O，因此采用XCS20－4PQ208C是融合了性能、容量和價(jià)格的一個(gè)綜合選擇。
對于其它將來(lái)可能在星上采用的高性能CPU，例如80386，由于其32位地址總線(xiàn)和32位數據總線(xiàn)是分開(kāi)的，做在同一塊FPGA內部將會(huì )面臨I／O數不足的問(wèn)題。因此必須將地址總線(xiàn)、數據總線(xiàn)、控制總線(xiàn)分在兩塊相互耦合的片子上實(shí)現，但其實(shí)現原理與SBSN是完全相同的。

SBSN是我們在提高星上計算機處理能力方面一個(gè)有益的嘗試。如果能以一個(gè)相對簡(jiǎn)單、便宜而又高可靠性的系統，達到3～4倍的加速比因子，那么，對小衛星事業(yè)來(lái)說(shuō)，將是一件很有意義的事情。