星载交换机高性能队列管理器的设计与实现

3队列管理器工作方法

当系统复位后，队列管理器对地址空间进行初始化，将可用的地址指针写入到地址空间。信元存储空间分为两部分，一部分为共享存储空间，另一部分为K个针对每个端口固定分配的信元空间，以确保每个端口都有可用的存储空间。当一个信元到达时，如果固定分配的空间和共享空间剩余容量之和不能满足该信元时，则拒绝该信元。队列管理器只需要知道到达信元的输出端口和优先级，就可以确定其进入哪个逻辑队列。信元的写入和读出采用状态机进行控制。

当有新的信元（n，k）到达时，其中n为优先级，1≤n≤N；k为输出端口，1≤k≤K。信元写入控制流程如图4所示。最后根据wr_addr，将信元写入缓冲区。如果发生队列挤占，则被挤占的逻辑队列需要被更新，如果仅有一个信元，则header和tailer都被置0；反之，用前一个信元的地址来更新tailer。写入信元的逻辑队列需要被更新：如果该逻辑队列没有信元，则header和tailer都被置为wr_addr；反之，将tailer的内容记录在pre_addr的第wr_addr个地址中，将wr_addr记录在nxt_addr的第tailer个地址中，tailer的内容被更新为wr_addr。

当有信元读出时，各输出端口采用轮询的方式，信元读出控制流程如图5所示。读出信元的逻辑队列需要被更新：如果仅有一个信元，则header和tailer都被置0；反之，用下一个信元的地址来更新header，tailer不变。

4仿真结果

本设计采用XilinxVertex-5FPGA实现，开发环境是Xilinx集成开发环境ISE13.1，电路核心模块用VerilogHDL编程实现，仿真工具采用ModelSimSE。星载交换机有16个输出端口，信元有4个优先级，PFIFOk为256，SFIFO为4096。仿真验证结果表明电路功能符合设计要求。

4.1寄存器读写指针时序仿真

由仿真时序图6可以看出，初始状态时，PFIFO0、PFIFO2、…、PFIFO15和SFIFO都为空，队列管理器将空闲指针依次写入PFIFO0、PFIFO2、…、PFIFO15中，当它们都为满时，最后写入SFIFO中。

由仿真时序图7可以看出，队列管理器首先从PFIFO0中读出可用指针，当其为空时，就从SFIFO中读出，然后依次从PFIFO0、PFIFO2、…、PFIFO15中读出可用指针。当它们都为空时，则从SFIFO中读出，直到no_ptr=1，说明地址空间无可用指针。

4.2信元的读写时序仿真

由仿真时序图8可以看出，队列管理器根据信头中的输出端口和优先级，依次将信元写入信元存储器，信元存储器形成64个逻辑队列，然后在调度器的控制下，依次将信元从相应的逻辑队列中读出。

在卫星通信中，业务种类繁多且突发性强，用户对服务质量（QoS）要求较高，而卫星网络拓扑结构变化快，传播时延大，这就要求星载交换机具有较小的交换时延和丢包率。本文设计了一种高性能队列管理器，通过硬件仿真验证，其基本能够满足星载交换机的各种性能指标要求，本队列管理器采用动态扩展的设计方式，灵活度较大，但也存在许多不足之处，如组播信元的处理考虑不足、可能存在队头阻塞问题及IP包的管理问题，有可能由于一个信元的丢失导致整个IP包无法接受，这些都是今后进一步的研究工作。