一種基于流水線的SpaceWire路由器研究

近年來，隨著SpaceWire總線技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，SpaceWire路由器在理論和技術(shù)應(yīng)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(yīng)用到ESA的航天任務(wù)中。國內(nèi)，目前對(duì)SpaceWire路由器的研究還處于初級(jí)階段，設(shè)計(jì)的SpaceWire路由器最高速度也只能達(dá)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技術(shù)的SpaceWire路由器。

1 SpaceWire路由器概述
    SpaceWire路由器由一定數(shù)量鏈接接口單元和路由單元構(gòu)成。接口單元主要負(fù)責(zé)連接各SpaceWire接點(diǎn)，路由單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由交換。
1．1 SpaceWire數(shù)據(jù)鏈路層接口單元
    SpaceWire數(shù)據(jù)鏈路接口主要由連接器、LVDS驅(qū)動(dòng)器、編碼器、譯碼器、狀態(tài)機(jī)、收發(fā)FIFO以及主機(jī)接口組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)送器接收來自發(fā)送FIFO的數(shù)據(jù)，使用DS編碼技術(shù)編碼這些數(shù)據(jù)并且進(jìn)行發(fā)送。接收器負(fù)責(zé)解碼DS(Din和Sin)信號(hào)產(chǎn)生N—Chars字符序列(data，EOP，EEP)，這些字符序列通過接收FIFO傳送給主機(jī)系統(tǒng)。
    FIFO的使用簡化了數(shù)據(jù)鏈路與主機(jī)系統(tǒng)之間的接口。在系統(tǒng)復(fù)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(shù)據(jù)，那么被寫入發(fā)送FIFO的數(shù)據(jù)將被發(fā)送。當(dāng)接收FIFO內(nèi)仍然有可用空間時(shí)，接收FIFO能夠接收數(shù)據(jù)。主機(jī)系統(tǒng)從接收FIFO中讀取數(shù)據(jù)。在FIFO全空或全滿以前，F(xiàn)IFO的半空或半滿標(biāo)志會(huì)觸發(fā)處理器干預(yù)對(duì)FIFO的讀寫操作。這種機(jī)制能夠控制通過鏈路的數(shù)據(jù)流，使數(shù)據(jù)鏈路接口保持高速數(shù)據(jù)吞吐。
    狀態(tài)機(jī)用來負(fù)責(zé)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(cuò)誤服務(wù)。
1．2 SpaceWire路由器單元
    為了簡化基于SpaceWire的通訊系統(tǒng)的復(fù)雜度，很重要的就是對(duì)SpaceWire路由單元的設(shè)計(jì)。如圖2所示，在圖中所設(shè)計(jì)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(nèi)部配置端口、路由表、控制寄存器、狀態(tài)／錯(cuò)誤寄存器、控制邏輯、無阻塞交互開關(guān)等。

低延遲、蟲洞路由和無阻塞交換開關(guān)使數(shù)據(jù)包能夠到達(dá)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問任意一個(gè)SpaceWire端口和外部端口。所設(shè)計(jì)SpaceWire端口完全支持SpaceWire標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)束標(biāo)志。
    Time—code端口會(huì)和計(jì)數(shù)器一起被提供用來方便Time—code的傳播。當(dāng)一個(gè)有效的Time—code到達(dá)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(hào)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(hào)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、外部端口和交換開關(guān)的寄存器。配置端口為各種端口和交換開關(guān)都設(shè)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，從而來讀出路由器的狀態(tài)和錯(cuò)誤信息，而且一些狀態(tài)引腳上的狀態(tài)和錯(cuò)誤信息可以被選擇輸出。
    路由表可以通過配置端口來訪問。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(shè)置，路由表常常用來控制組適應(yīng)路由和交互開關(guān)中的優(yōu)先仲裁。
1．3 蟲洞路由
    SpaceWire路由器是基于蟲洞路由上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。蟲洞路由是包路由的一種形式。每一個(gè)包的包頭包含著目的地的地址信息。每當(dāng)有一個(gè)包到達(dá)路由器時(shí)，它就立即檢測(cè)這個(gè)包的目的地址，然后按照該地址轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)包到相應(yīng)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(zhuǎn)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(biāo)記，直到這個(gè)包的最后一個(gè)字符即“包尾”(EOP)通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)出去。
    蟲洞路由如圖3所示，圖中一個(gè)包從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出，通過路由器到達(dá)另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。包頭標(biāo)記為黑色，其余部分為灰色。路由器負(fù)責(zé)在輸入端口和空閑的輸出端口之間建立連接，當(dāng)檢測(cè)到EOP或EEP時(shí)，斷開連接，釋放輸出端口為空閑狀態(tài)，準(zhǔn)備接收其他端口來的包。輸出端口忙時(shí)，輸入端口阻塞輸入包，直到其空閑。通過輸入端口相遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送FCT來實(shí)現(xiàn)，直到輸出端口空閑時(shí)，路由器才取消阻塞。以上是蟲洞路由和流量控制之間的關(guān)系。

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(jìn)過三個(gè)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(duì)目標(biāo)地址進(jìn)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(gè)以上輸入端向同一個(gè)輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)對(duì)路由器內(nèi)部的讀寫操作產(chǎn)生爭(zhēng)奪。這時(shí)，路由器應(yīng)提供仲裁機(jī)制進(jìn)行發(fā)送優(yōu)先級(jí)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(gè)包。也就是說，在同一時(shí)間內(nèi)，路由器中只能有一個(gè)輸入端進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)這個(gè)輸入端發(fā)送完畢后，其他輸入端再進(jìn)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(jì)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(jì)一個(gè)基于流水線技術(shù)的無阻塞的并行交換開關(guān)(如圖5)。

對(duì)于SpaceWire路由器內(nèi)部數(shù)據(jù)流包頭的檢測(cè)和數(shù)據(jù)重排電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜、規(guī)模較大。為了簡化電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、降低電路功耗、提高系統(tǒng)工作可靠性，針對(duì)輸入數(shù)據(jù)流的包頭檢測(cè)及數(shù)據(jù)重排電路，采用事務(wù)處理流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)電路方案設(shè)計(jì)。圖6為采用事務(wù)處理流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)包頭檢測(cè)及數(shù)據(jù)重排電路方案框圖。采用此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用流水線設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)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(jì)用FPGA實(shí)現(xiàn)K個(gè)M×M的無緩存的交叉開關(guān)作為交換模塊。這個(gè)體系結(jié)構(gòu)是由M個(gè)輸入共享存儲(chǔ)器模塊、K個(gè)交叉開關(guān)和M個(gè)輸出共享存儲(chǔ)模塊組成。每個(gè)輸入／輸出共享存儲(chǔ)器模塊有V個(gè)外部線路接口，同時(shí)與所有交叉開關(guān)相連接。
    輸入共享存儲(chǔ)器模塊包含(M*V)個(gè)VOQ(虛擬輸出隊(duì)列)，保存輸出到不同目的端口的信元。輸出共享存儲(chǔ)器模塊包含V個(gè)輸出隊(duì)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(duì)列中隨機(jī)選擇M個(gè)隊(duì)列，向交換開關(guān)提交調(diào)度請(qǐng)求。交換開關(guān)以輪詢方式為各隊(duì)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(duì)列頭信元通過交換開關(guān)直接到達(dá)輸出隊(duì)列，完成報(bào)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(jī)制及時(shí)阻止輸入端發(fā)送過量信元。
    在多個(gè)輸入端向一個(gè)輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在交換開關(guān)中利用流水線技術(shù)讓多個(gè)輸入端分時(shí)向輸出端發(fā)送數(shù)據(jù)。也可以在每個(gè)輸入端都復(fù)制一個(gè)路由查找表，這樣在就不需要仲裁機(jī)制了。當(dāng)數(shù)據(jù)流進(jìn)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(jìn)行發(fā)送，當(dāng)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(dāng)自己的時(shí)間令牌有效時(shí)，就進(jìn)行傳輸，當(dāng)時(shí)間令牌失效時(shí)，停止傳輸，直到將所有數(shù)據(jù)傳輸完畢。而時(shí)間令牌的分配，由路由算法來控制?；舅枷胧抢昧魉€將時(shí)間令牌輪流分給每個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，還可根據(jù)具體的一些情況對(duì)路由算法進(jìn)行優(yōu)化。此項(xiàng)工作目前正在進(jìn)行中?；谶@種流水線技術(shù)設(shè)計(jì)的SpaceWire路由器，速度將會(huì)達(dá)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(huì)實(shí)現(xiàn)各輸入端到輸出端的同時(shí)訪問。

3 結(jié) 語
    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技術(shù)的SpaceWire路由器的研究，關(guān)鍵技術(shù)是用FPGA設(shè)計(jì)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(jià)值。目前此項(xiàng)研究正在實(shí)現(xiàn)過程中。