一種基于流水線的SpaceWire路由器研究

近年來，隨著SpaceWire總線技術在航天航空領域的不斷應用，SpaceWire路由器在理論和技術應用方面也得到了飛速發展。國外，歐洲航天局 (ESA)已經將速度為200 Mb／s抗輻射的SpaceWire路由器應用到ESA的航天任務中。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技術的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，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驅動器、編碼器、譯碼器、狀態機、收發FIFO以及主機接口組成，其結構如圖1所示。

　　發送器接收來自發送FIFO的數據，使用DS編碼技術編碼這些數據并且進行發送。接收器負責解碼DS(Din和Sin)信號產生N—Chars字符序列(data，EOP，EEP)，這些字符序列通過接收FIFO傳送給主機系統。

　　FIFO的使用簡化了數據鏈路與主機系統之間的接口。在系統復位以后，發送和接收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送數據，那么被寫入發送FIFO的數據將被發送。當接收FIFO內仍然有可用空間時，接收FIFO能夠接收數據。主機系統從接收FIFO中讀取數據。在FIFO全空或全滿以前，FIFO的半空或半滿標志會觸發處理器干預對FIFO的讀寫操作。這種機制能夠控制通過鏈路的數據流，使數據鏈路接口保持高速數據吞吐。

　　狀態機用來負責控制接口單元的整體操作，它會提供鏈路初始化，普通操作和錯誤服務。

　　1．2 SpaceWire路由器單元

　　為了簡化基于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SpaceWire端口，即2個外部端口、1個內部配置端口、路由表、控制寄存器、狀態／錯誤寄存器、控制邏輯、無阻塞交互開關等。

　　低延遲、蟲洞路由和無阻塞交換開關使數據包能夠到達任意一個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。每個外部端口包括一個發送FIFO和一個接收FIFO，可以發送接收字符和包結束標志。

　　Time—code端口會和計數器一起被提供用來方便Time—code的傳播。當一個有效的Time—code到達一個路由端口時，它也會被發送到其他 Spacewire端口，一個TICK_OUT信號會在Time—code端口被產生。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、外部端口和交換開關的寄存器。配置端口為各種端口和交換開關都設置了狀態寄存器。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和錯誤信息，而且一些狀態引腳上的狀態和錯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先位都可以在路由表中進行設置，路由表常常用來控制組適應路由和交互開關中的優先仲裁。

　　1．3 蟲洞路由

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

　　蟲洞路由如圖3所示，圖中一個包從一個節點發出，通過路由器到達另外一個節點。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，斷開連接，釋放輸出端口為空閑狀態，準備接收其他端口來的包。輸出端口忙時，輸入端口阻塞輸入包，直到其空閑。通過輸入端口相遠節點發送FCT來實現，直到輸出端口空閑時，路由器才取消阻塞。以上是蟲洞路由和流量控制之間的關系。

2 基于流水線的SpaceWire路由器

　　SpaceWire路由器將數據從輸入端傳遞到輸出端的過程一般需要進過三個階段：首先，從輸入端讀數據，將數據包中包頭所包含的目標地址發送給路由查找表；再次，由路由查找表對目標地址進行查找，確定該數據包所要發送的輸出端；最后，將數據包發送到目標地址所指的輸出端。具體結構如圖4所示。

　　如果路由器中有兩個以上輸入端向同一個輸出端發送數據時，就會對路由器內部的讀寫操作產生爭奪。這時，路由器應提供仲裁機制進行發送優先級的確定。仲裁后，得到發送權的輸入端向輸出端口發送一個包。也就是說，在同一時間內，路由器中只能有一個輸入端進行數據的發送。當這個輸入端發送完畢后，其他輸入端再進行數據的發送。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，研究設計了一種基于流水線技術的Spacewire路由器。關鍵技術是設計一個基于流水線技術的無阻塞的并行交換開關(如圖5)。

　　對于SpaceWire路由器內部數據流包頭的檢測和數據重排電路的設計復雜、規模較大。為了簡化電路設計的復雜度、降低電路功耗、提高系統工作可靠性，針對輸入數據流的包頭檢測及數據重排電路，采用事務處理流水線技術實現電路方案設計。圖6為采用事務處理流水線技術實現包頭檢測及數據重排電路方案框圖。采用此設計方案進行電路設計的實驗結果表明，采用流水線設計技術實現的電路其規模比原來電路減少了50％。

　　圖6所示的為并行交換體系結構，設計用FPGA實現K個M×M的無緩存的交叉開關作為交換模塊。這個體系結構是由M個輸入共享存儲器模塊、K個交叉開關和M個輸出共享存儲模塊組成。每個輸入／輸出共享存儲器模塊有V個外部線路接口，同時與所有交叉開關相連接。

　　輸入共享存儲器模塊包含(M*V)個VOQ(虛擬輸出隊列)，保存輸出到不同目的端口的信元。輸出共享存儲器模塊包含V個輸出隊列，保存等待輸出的信元。在每個仲裁周期，輸入端口從(M*V)個VOQ隊列中隨機選擇M個隊列，向交換開關提交調度請求。交換開關以輪詢方式為各隊列提供服務，根據調度結果將授權信息反饋給輸入端口。授權信息指定的VOQ隊列頭信元通過交換開關直接到達輸出隊列，完成報文重組等處理后，發送到外部鏈路。為了避免輸出端發生緩沖區溢出，可采用反壓機制及時阻止輸入端發送過量信元。

　　在多個輸入端向一個輸出端發送數據時，在交換開關中利用流水線技術讓多個輸入端分時向輸出端發送數據。也可以在每個輸入端都復制一個路由查找表，這樣在就不需要仲裁機制了。當數據流進入輸入端后，根據包頭地址查找路由表，確定要發送的輸出端，然后進行發送，當多個輸入端進行傳送時，就會給每個輸入端分配一個時間令牌，當自己的時間令牌有效時，就進行傳輸，當時間令牌失效時，停止傳輸，直到將所有數據傳輸完畢。而時間令牌的分配，由路由算法來控制。基本思想是利用流水線將時間令牌輪流分給每個輸入節點，還可根據具體的一些情況對路由算法進行優化。此項工作目前正在進行中。基于這種流水線技術設計的 SpaceWire路由器，速度將會達到200 Mb／s。從而使SpaceWire網絡的數據傳輸更加快速，也會實現各輸入端到輸出端的同時訪問。

　　3 結 語

　　介紹了SpaceWire路由器的基本原理，重點闡述了一種基于流水線技術的SpaceWire路由器的研究，關鍵技術是用FPGA設計一種基于流水線技術的交換開關。SpaceWire路由器符合未來航天航空領域的發展需求，所以spaceWire路由器速度是非常關鍵的指標。本文就是介紹了一種改善 Spacewire路由器的速度的方法，具有很高的研究價值。目前此項研究正在實現過程中。