一種基于流水線(xiàn)的SpaceWire路由器研究

　　近年來(lái)，隨著(zhù)SpaceWire總線(xiàn)技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的不斷應用，SpaceWire路由器在理論和技術(shù)應用方面也得到了飛速發(fā)展。國外，歐洲航天局 (ESA)已經(jīng)將速度為200 Mb/s抗輻射的SpaceWire路由器應用到ESA的航天任務(wù)中。國內，目前對SpaceWire路由器的研究還處于初級階段，設計的 SpaceWire路由器最高速度也只能達到100 Mb/s。為了提高路由器的傳輸速度，這里提出了一種基于流水線(xiàn)技術(shù)的SpaceWire路由器。

　　1 SpaceWire路由器概述

　　SpaceWire路由器由一定數量鏈接接口單元和路由單元構成。接口單元主要負責連接各SpaceWire接點(diǎn)，路由單元負責數據的路由交換。

　　1.1 SpaceWire數據鏈路層接口單元

　　SpaceWire數據鏈路接口主要由連接器、LVDS驅動(dòng)器、編碼器、譯碼器、狀態(tài)機、收發(fā)FIFO以及主機接口組成，其結構如圖1所示。

　　發(fā)送器接收來(lái)自發(fā)送FIFO的數據，使用DS編碼技術(shù)編碼這些數據并且進(jìn)行發(fā)送。接收器負責解碼DS(Din和Sin)信號產(chǎn)生N—Chars字符序列(data，EOP，EEP)，這些字符序列通過(guò)接收FIFO傳送給主機系統。

　　FIFO的使用簡(jiǎn)化了數據鏈路與主機系統之間的接口。在系統復位以后，發(fā)送和接收FIFO都是空的。在鏈路連接建立以后，如果接收到FCT表明鏈路另一端允許向它發(fā)送數據，那么被寫(xiě)入發(fā)送FIFO的數據將被發(fā)送。當接收FIFO內仍然有可用空間時(shí)，接收FIFO能夠接收數據。主機系統從接收FIFO中讀取數據。在FIFO全空或全滿(mǎn)以前，FIFO的半空或半滿(mǎn)標志會(huì )觸發(fā)處理器干預對FIFO的讀寫(xiě)操作。這種機制能夠控制通過(guò)鏈路的數據流，使數據鏈路接口保持高速數據吞吐。

　　狀態(tài)機用來(lái)負責控制接口單元的整體操作，它會(huì )提供鏈路初始化，普通操作和錯誤服務(wù)。

　　1.2 SpaceWire路由器單元

　　為了簡(jiǎn)化基于SpaceWire的通訊系統的復雜度，很重要的就是對SpaceWire路由單元的設計。如圖2所示，在圖中所設計的SpaceWire路由器中包括8個(gè)SpaceWire端口，即2個(gè)外部端口、1個(gè)內部配置端口、路由表、控制寄存器、狀態(tài)/錯誤寄存器、控制邏輯、無(wú)阻塞交互開(kāi)關(guān)等。

　　低延遲、蟲(chóng)洞路由和無(wú)阻塞交換開(kāi)關(guān)使數據包能夠到達任意一個(gè)SpaceWire端口和外部端口，或者也可以由配置端口直接訪(fǎng)問(wèn)任意一個(gè)SpaceWire端口和外部端口。所設計SpaceWire端口完全支持SpaceWire標準，提供高速的、雙向的通訊。每個(gè)外部端口包括一個(gè)發(fā)送FIFO和一個(gè)接收FIFO，可以發(fā)送接收字符和包結束標志。

　　Time—code端口會(huì )和計數器一起被提供用來(lái)方便Time—code的傳播。當一個(gè)有效的Time—code到達一個(gè)路由端口時(shí)，它也會(huì )被發(fā)送到其他 Spacewire端口，一個(gè)TICK_OUT信號會(huì )在Time—code端口被產(chǎn)生。路由器可以用Time—code端口提供的TICK_IN信號做為 Time—code的操作管理。

　　配置端口可以配置任何SpaceWire端口和外部端口。它包括可以控制SpaceWire端口、外部端口和交換開(kāi)關(guān)的寄存器。配置端口為各種端口和交換開(kāi)關(guān)都設置了狀態(tài)寄存器。用配置端口的讀命令可以讀這些寄存器，從而來(lái)讀出路由器的狀態(tài)和錯誤信息，而且一些狀態(tài)引腳上的狀態(tài)和錯誤信息可以被選擇輸出。

　　路由表可以通過(guò)配置端口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。邏輯地址端口映射和優(yōu)先位都可以在路由表中進(jìn)行設置，路由表常常用來(lái)控制組適應路由和交互開(kāi)關(guān)中的優(yōu)先仲裁。

　　1.3 蟲(chóng)洞路由

　　SpaceWire路由器是基于蟲(chóng)洞路由上進(jìn)行設計的。蟲(chóng)洞路由是包路由的一種形式。每一個(gè)包的包頭包含著(zhù)目的地的地址信息。每當有一個(gè)包到達路由器時(shí)，它就立即檢測這個(gè)包的目的地址，然后按照該地址轉發(fā)這個(gè)包到相應的輸出端口。如果要求的輸出端口是“空閑”(free)狀態(tài)，則這個(gè)包會(huì )被立即轉發(fā)到這個(gè)輸出端口。這時(shí)，該端口就會(huì )被打上“忙”(blasy)狀態(tài)標記，直到這個(gè)包的最后一個(gè)字符即“包尾”(EOP)通過(guò)路由器轉發(fā)出去。

　　蟲(chóng)洞路由如圖3所示，圖中一個(gè)包從一個(gè)節點(diǎn)發(fā)出，通過(guò)路由器到達另外一個(gè)節點(diǎn)。包頭標記為黑色，其余部分為灰色。路由器負責在輸入端口和空閑的輸出端口之間建立連接，當檢測到EOP或EEP時(shí)，斷開(kāi)連接，釋放輸出端口為空閑狀態(tài)，準備接收其他端口來(lái)的包。輸出端口忙時(shí)，輸入端口阻塞輸入包，直到其空閑。通過(guò)輸入端口相遠節點(diǎn)發(fā)送FCT來(lái)實(shí)現，直到輸出端口空閑時(shí)，路由器才取消阻塞。以上是蟲(chóng)洞路由和流量控制之間的關(guān)系。