一种基于流水线的SpaceWire路由器研究

如果路由器中有两个以上输入端向同一个输出端发送数据时，就会对路由器内部的读写操作产生争夺。这时，路由器应提供仲裁机制进行发送优先级的确定。仲裁后，得到发送权的输入端向输出端口发送一个包。也就是说，在同一时间内，路由器中只能有一个输入端进行数据的发送。当这个输入端发送完毕后，其他输入端再进行数据的发送。这样极大地降低了路由器的工作效率。
为了改善路由器的传输速度，研究设计了一种基于流水线技术的Spacewire路由器。关键技术是设计一个基于流水线技术的无阻塞的并行交换开关(如图5)。

对于SpaceWire路由器内部数据流包头的检测和数据重排电路的设计复杂、规模较大。为了简化电路设计的复杂度、降低电路功耗、提高系统工作可靠性，针对输入数据流的包头检测及数据重排电路，采用事务处理流水线技术实现电路方案设计。图6为采用事务处理流水线技术实现包头检测及数据重排电路方案框图。采用此设计方案进行电路设计的实验结果表明，采用流水线设计技术实现的电路其规模比原来电路减少了50％。

图6所示的为并行交换体系结构，设计用FPGA实现K个M×M的无缓存的交叉开关作为交换模块。这个体系结构是由M个输入共享存储器模块、K个交叉开关和M个输出共享存储模块组成。每个输入／输出共享存储器模块有V个外部线路接口，同时与所有交叉开关相连接。
输入共享存储器模块包含(M*V)个VOQ(虚拟输出队列)，保存输出到不同目的端口的信元。输出共享存储器模块包含V个输出队列，保存等待输出的信元。在每个仲裁周期，输入端口从(M*V)个VOQ队列中随机选择M个队列，向交换开关提交调度请求。交换开关以轮询方式为各队列提供服务，根据调度结果将授权信息反馈给输入端口。授权信息指定的VOQ队列头信元通过交换开关直接到达输出队列，完成报文重组等处理后，发送到外部链路。为了避免输出端发生缓冲区溢出，可采用反压机制及时阻止输入端发送过量信元。
在多个输入端向一个输出端发送数据时，在交换开关中利用流水线技术让多个输入端分时向输出端发送数据。也可以在每个输入端都复制一个路由查找表，这样在就不需要仲裁机制了。当数据流进入输入端后，根据包头地址查找路由表，确定要发送的输出端，然后进行发送，当多个输入端进行传送时，就会给每个输入端分配一个时间令牌，当自己的时间令牌有效时，就进行传输，当时间令牌失效时，停止传输，直到将所有数据传输完毕。而时间令牌的分配，由路由算法来控制。基本思想是利用流水线将时间令牌轮流分给每个输入节点，还可根据具体的一些情况对路由算法进行优化。此项工作目前正在进行中。基于这种流水线技术设计的SpaceWire路由器，速度将会达到200 Mb／s。从而使SpaceWire网络的数据传输更加快速，也会实现各输入端到输出端的同时访问。

3 结 语
介绍了SpaceWire路由器的基本原理，重点阐述了一种基于流水线技术的SpaceWire路由器的研究，关键技术是用FPGA设计一种基于流水线技术的交换开关。SpaceWire路由器符合未来航天航空领域的发展需求，所以spaceWire路由器速度是非常关键的指标。本文就是介绍了一种改善Spacewire路由器的速度的方法，具有很高的研究价值。目前此项研究正在实现过程中。