趙允齊，安軍社，鄭靜雅，祝 平，臧文博

(1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101400；2.中國科學(xué)院大學(xué) 國家空間科學(xué)中心，北京 101400)

0 引 言

在2007年，歐空局提出了SpaceFibre總線協(xié)議第一版草案，直到在2018年發(fā)布SpaceFibre協(xié)議正式版，該協(xié)議面向吉比特每秒，具有良好的糾錯(cuò)容錯(cuò)、數(shù)據(jù)重傳等功能。該協(xié)議的目的是為了滿足日益增長的航天器載荷上的數(shù)據(jù)傳輸需求，彌補(bǔ)現(xiàn)有航天總線的不足[1]，諸如通信速度、糾錯(cuò)容錯(cuò)能力、傳輸距離、異常處理、時(shí)間確定性等方面。該協(xié)議是在2003年SpaceWire總線協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的[2]，具有SpaceWire協(xié)議的所有優(yōu)點(diǎn)。為了解決SpaceWire蟲洞路由帶來的數(shù)據(jù)阻塞問題，SpaceFibre協(xié)議采用虛擬通道路由，這種路由機(jī)制使得數(shù)據(jù)傳輸速率大大提升，根據(jù)目前鄧迪團(tuán)隊(duì)的成品IP核的測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)2.5 Gbit/s[3]，在Microsemi RTG4 FPGA上可達(dá)3.125 Gbit/s[4,5]。

本文重點(diǎn)介紹和分析SpaceFibre協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)層對(duì)于路由器的定義，并提出了一種SpaceFibre路由器實(shí)現(xiàn)方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)5端口虛擬通道路由的基本功能，采用輪詢仲裁的算法，并使用虛擬通道控制器控制傳輸隊(duì)列。用Verilog代碼實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)后，通過了仿真驗(yàn)證，仿真波形正常，功能符合設(shè)計(jì)需求。

1 SpaceFibre總線協(xié)議

因?yàn)镾paceFibre協(xié)議是在SpaceWire協(xié)議的基礎(chǔ)上提出的，因此也具有低成本、高速度、高容錯(cuò)等優(yōu)點(diǎn)。SpaceFibre是一種全雙工協(xié)議，目標(biāo)是能傳輸高、低兩種通道的所有類型數(shù)據(jù)，具有時(shí)間片、CRC檢驗(yàn)等功能，支持故障檢測(cè)、隔離和恢復(fù)(FDIR)。SpaceFibre支持QoS的信息發(fā)送，偵測(cè)任何幀或控制碼丟失或錯(cuò)誤，同時(shí)提供重發(fā)機(jī)制和ACK/NACK交互，支持優(yōu)先級(jí)別服務(wù)，帶寬保留、預(yù)約和調(diào)度，支持時(shí)間窗功能，通過加入偽隨機(jī)碼有效降低電磁輻射和提高抗干擾能力。同時(shí)，SpaceFibre定義的多通道層支持多鏈路，通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率都得到了提升。在網(wǎng)絡(luò)層中，更是引入虛擬通道和虛擬網(wǎng)絡(luò)的概念，減少數(shù)據(jù)堵塞。SpaceFibre使用電纜時(shí)距離可達(dá)5 m，使用光纖時(shí)可達(dá)100 m[7]。

SpaceFibre定義了5層結(jié)構(gòu)，由下至上為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層3個(gè)主要層次，通道層和多通道層為兩個(gè)次要層級(jí)，從屬于數(shù)據(jù)鏈路層。與OSI定義的7層結(jié)構(gòu)相比，如圖1所示，可見SpaceFibre只對(duì)應(yīng)了OSI的3層，無法實(shí)現(xiàn)傳輸層等4個(gè)層的功能。

圖1 OSI模型和SpaceFibre層之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 SpaceFibre路由機(jī)制

2.1 路由機(jī)制

SpaceFibre的路由器定義在網(wǎng)絡(luò)層，用于將多個(gè)節(jié)點(diǎn)互連在一起，以便節(jié)點(diǎn)能夠彼此通信，以此傳輸數(shù)據(jù)包和廣播消息。SpaceFibre的協(xié)議規(guī)定了router的構(gòu)成要素，如圖2所示。

圖2 SpaceFibre中路由的UML圖[6]

根據(jù)SpaceFibre協(xié)議的定義，該設(shè)計(jì)方案中的SpaceFibre路由包括：端口、開關(guān)矩陣(switch matrix)、配置節(jié)點(diǎn)、廣播機(jī)制。端口數(shù)量為5個(gè)，其中有一個(gè)配置端口；開關(guān)矩陣用于將輸入端口中的虛擬通道連接到輸出端口中的虛擬通道；配置節(jié)點(diǎn)是端口0，用于配置路由，包括每一個(gè)SpaceFibre端口的參數(shù)，只有一條虛擬通道[6]。低延遲的廣播消息可承載8字節(jié)的用戶信息，適用于事件分布、錯(cuò)誤信號(hào)和時(shí)間分布[5]。

SpaceWire采用蟲洞路由結(jié)構(gòu)，在蟲孔交換機(jī)制中，每個(gè)報(bào)文被劃分成許多固定大小的微片。報(bào)文的路由信息存儲(chǔ)在頭微片中，其余微片跟隨頭微片的路徑傳輸。當(dāng)頭微片被阻塞時(shí)，該報(bào)文的所有微片就地存儲(chǔ)，直至阻塞結(jié)束[8]。蟲孔交換有著通信延時(shí)短、緩存小和易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)蟲洞路由也存在問題，要求接收端有一個(gè)數(shù)據(jù)包大小的內(nèi)存，且當(dāng)數(shù)據(jù)包占用通道時(shí)其它數(shù)據(jù)包便無法傳輸，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)阻塞。

在蟲洞路由的基礎(chǔ)上，SpaceFibre采用了虛擬通道，可以有效地解決數(shù)據(jù)包阻塞的問題，而且還引入了虛擬網(wǎng)絡(luò)的概念。在每個(gè)端口內(nèi)，一條物理通道上可以擁有多條虛擬通道，最多可以達(dá)到32個(gè)，且每條虛擬通道都具有一個(gè)虛擬通道號(hào)。SpaceFibre引入了虛擬網(wǎng)絡(luò)的概念，再為每條虛擬通道賦予一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼，使得每一條虛擬通道都映射到一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)中，只有同一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)中的虛擬通道才能實(shí)現(xiàn)通信，以此增加數(shù)據(jù)吞吐量。這樣，每一條虛擬通道都映射到一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，SpaceFibre的路由網(wǎng)絡(luò)就像是多個(gè)并行運(yùn)行的SpaceWire路由網(wǎng)絡(luò)。

定義在網(wǎng)絡(luò)層的SpaceFibre路由器需要數(shù)據(jù)鏈路層和通道層的功能支持，包括QoS和FDIR等。服務(wù)質(zhì)量(QoS)機(jī)制結(jié)合了優(yōu)先級(jí)、帶寬預(yù)留和調(diào)度，這些功能提供了“冒泡(babbling idoit)”保護(hù)，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性，集成故障檢測(cè)、隔離和恢復(fù)(FDIR)機(jī)制提供從虛擬通道和幀的瞬時(shí)錯(cuò)誤中的恢復(fù)[5]。

本課題旨在用FPGA實(shí)現(xiàn)SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)層中路由器的功能，實(shí)現(xiàn)5個(gè)端口、每個(gè)端口的鏈路包含4條虛擬信道的路由器。應(yīng)用這種4端口的路由，可以與其它設(shè)備構(gòu)成如圖3所示的結(jié)構(gòu)。

圖3 路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]

2.2 虛擬通道

虛擬通道主要是用于片上網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)概念，在片上網(wǎng)絡(luò)中鏈路主要有兩種方式：非虛擬通道模式和虛擬通道模式。非虛擬通道模式下，一條物理鏈路對(duì)應(yīng)一條通路，兩側(cè)對(duì)應(yīng)兩對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。在虛擬通道模式下，一條物理鏈路對(duì)應(yīng)多條通路，兩側(cè)對(duì)應(yīng)多組數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

對(duì)于虛擬通道模式，當(dāng)物理鏈路上的一條虛擬通道被阻塞時(shí)，另一條虛擬通道就可以獲得數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臋?quán)限，使得一條物理通道可以被復(fù)用為多條邏輯通道。由此可見，虛擬通道在一條物理鏈路上實(shí)現(xiàn)了多條通道，能夠極大地提高物理通道的利用率，提高數(shù)據(jù)吞吐量，減少數(shù)據(jù)阻塞，并避免網(wǎng)絡(luò)死鎖的出現(xiàn)。

路由器的端口包括一個(gè)輸入端口、一個(gè)輸出端口和多條虛擬通道，因此在每條虛擬通道的兩端都定義了一組緩沖區(qū)，分別是輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(in_buffer)和輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(out_buffer)，緩沖區(qū)可以容納至少256 bits的數(shù)據(jù)包，該設(shè)計(jì)中一個(gè)端口對(duì)應(yīng)4個(gè)緩沖區(qū)。

2.3 虛擬網(wǎng)絡(luò)

為了解決虛擬通道模式中容易出現(xiàn)的數(shù)據(jù)混亂問題，讓虛擬通道的利用率更高，SpaceFibre的協(xié)議中引入了虛擬網(wǎng)絡(luò)的概念，就是將所有的虛擬通道分成幾個(gè)部分，成為獨(dú)立通信的網(wǎng)絡(luò)。通過為每一條虛擬通道賦予虛擬網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼，并規(guī)定只有相同虛擬網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼的虛擬通道才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此將多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)分隔開，形成多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)協(xié)議的規(guī)定，虛擬網(wǎng)絡(luò)包含如圖4所示的要素。

圖4 虛擬網(wǎng)絡(luò)的UML[6]

SpaceFibre路由的鏈路上可以擁有多條虛擬信道，而一個(gè)鏈路上的多條虛擬信道都分別屬于不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)，只有相同虛擬網(wǎng)絡(luò)中的虛擬信道可以傳輸數(shù)據(jù)包，不同虛擬網(wǎng)絡(luò)號(hào)的虛擬信道之間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。虛擬信道的虛擬網(wǎng)絡(luò)號(hào)是可以動(dòng)態(tài)配置的，根據(jù)一定的路由算法，每隔一段時(shí)間后會(huì)重新配置，虛擬網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼與虛擬通道號(hào)碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)在一個(gè)LUT中。

考慮到動(dòng)態(tài)配置的方法需要路由算法的支持，不然容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂的結(jié)果，并且需要數(shù)據(jù)鏈路層中QoS服務(wù)的支持。為了降低硬件開銷并降低路由復(fù)雜度，本文主要實(shí)現(xiàn)了虛擬通道到虛擬網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)映射，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)包的類型劃分虛擬網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了不同類型數(shù)據(jù)包在相互獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。將數(shù)據(jù)包分為4種類型：配置信息、數(shù)據(jù)信息、圖像信息和廣播消息，在4個(gè)獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 路由設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)層中，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式存在，SpaceFibre的數(shù)據(jù)包沒有固定的大小，但是有固定的格式，如圖5所示。

圖5 SpaceFibre數(shù)據(jù)包格式[6]

Destination Address是數(shù)據(jù)包的包頭，用于存放數(shù)據(jù)包的目的地址，在路徑尋址中為0-31，在邏輯尋址中為32-255。Cargo就是數(shù)據(jù)包的主體，是需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔?。EOP和EEP是包結(jié)束符號(hào)，EOP是數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志，EEP是數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤標(biāo)志，當(dāng)識(shí)別到這兩個(gè)符號(hào)后，表明一個(gè)數(shù)據(jù)包結(jié)束，下一個(gè)數(shù)據(jù)包開始。

在本文的設(shè)計(jì)中，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)包的類型進(jìn)行虛擬網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼的分配，在一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)端口時(shí)，為了將其發(fā)送到最合適的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，需要數(shù)據(jù)包的類型信息。因此，本文對(duì)數(shù)據(jù)包格式增加了一個(gè)新的需求，新的數(shù)據(jù)包格式如圖6所示。

圖6 本文的SpaceFibre數(shù)據(jù)包格式

對(duì)于調(diào)整后的數(shù)據(jù)包來說，在數(shù)據(jù)包發(fā)送到端口的時(shí)候就會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型選擇合適的虛擬通道，發(fā)送到對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，然后通過數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)地址信息，經(jīng)由虛擬通道發(fā)送到目的端口。由此設(shè)計(jì)出的總體功能框架如圖7所示。

圖7 路由器總體功能框架

本文設(shè)計(jì)的路由器采用4+1端口模式，4個(gè)端口為普通端口，1個(gè)端口為配置端口。配置端口是端口0，根據(jù)SpaceFibre協(xié)議的定義只能有一條虛擬通道。4個(gè)普通端口端口都是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向端口，每個(gè)端口有4條虛擬通道，分別是VC0、VC1、VC2、VC3。VC0屬于虛擬網(wǎng)絡(luò)0(VN0)，發(fā)送和接收配置信息；VC1屬于虛擬網(wǎng)絡(luò)1(VN1)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信息；VC2屬于虛擬網(wǎng)絡(luò)2(VN2)，發(fā)送和接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)信息；VC3屬于虛擬網(wǎng)絡(luò)3(VN3)，發(fā)送和接收廣播消息。

3.2 開關(guān)矩陣的設(shè)計(jì)

SpaceFibre路由器的虛擬通道主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：第一種方式，允許一個(gè)端口的不同虛擬通道同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。第二種方式，一個(gè)端口的多條虛擬通道中只有一條可以傳輸數(shù)據(jù)。第一種路由器的網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)流只能在路由器輸出端口的一個(gè)虛擬信道內(nèi)相互競(jìng)爭(zhēng)，在這種情況下，需要有合適的虛擬網(wǎng)絡(luò)分配原則。然而，這種路由器結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了硬件成本較高。第二種路由器的網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)的硬件成本基本上比前一種結(jié)構(gòu)的硬件成本低，但通過這種方式，來自不同虛擬通道的數(shù)據(jù)流共享開關(guān)矩陣。

通過分析和比較，為減少數(shù)據(jù)流之間的干擾，本文選擇第一種方式并進(jìn)行了一些改進(jìn)。參考文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[10]提出的網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)概念并進(jìn)行修改，為每一條虛擬通道FIFO配備一個(gè)虛擬通道控制器，用虛擬通道控制器產(chǎn)生讀寫信號(hào)控制虛擬通道FIFO。目前采用仲裁算法控制虛擬通道控制器，未來的研究中可以用上位機(jī)分配算法直接控制虛擬通道控制器，以此為路由網(wǎng)絡(luò)增添其它的路由算法。

3.3 輪詢仲裁算法

對(duì)于圖7的總體設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸過程中依然存在出現(xiàn)數(shù)據(jù)阻塞的可能，譬如，當(dāng)端口一的VC1和端口二的VC1同時(shí)向端口三發(fā)送數(shù)據(jù)包，端口三的緩沖區(qū)無法同時(shí)接收兩個(gè)數(shù)據(jù)包。這時(shí)采用輪詢仲裁的方法，讓開關(guān)矩陣只連接一條通道。即同一時(shí)刻，端口的一個(gè)端點(diǎn)只能向唯一一個(gè)端點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，而端口的一個(gè)端點(diǎn)也只能唯一接收來自一個(gè)端點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)輪詢仲裁，開關(guān)矩陣由交叉開關(guān)矩陣(CrossBar)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)[11]。這是一種全連接的開關(guān)結(jié)構(gòu)，任意輸入端口都能在開關(guān)信號(hào)的控制下導(dǎo)通到任意輸出端口中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的無阻塞交換，對(duì)于每個(gè)交叉開關(guān)的導(dǎo)通與斷開則是通過路由調(diào)度算法控制的[9]。由于采用了虛擬網(wǎng)絡(luò)的概念，該路由器有4個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，也就是有4個(gè)如圖8所示的交叉開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)。

圖8 輪詢仲裁算法

圖8中每個(gè)小矩形代表1個(gè)交叉開關(guān)，這些開關(guān)元件為仲裁Cell，上面的數(shù)字為“輸入端口，輸出端口”。每個(gè)Cell都通過信號(hào)與四周的Cell互連，這種連接方式也體現(xiàn)了不同Cell的優(yōu)先級(jí)次序，即從上至下，從左至右優(yōu)先級(jí)依次降低。Cell的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8右側(cè)所示，該Cell仲裁成功時(shí)，將該信號(hào)返回輸入端口，可以建立輸入端口到輸出端口的傳輸通路。并將其S和E信號(hào)都將變?yōu)?，從而使其下方和右側(cè)的仲裁Cell無法被使用。

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)，每個(gè)端點(diǎn)的虛擬網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被配置好，就簡(jiǎn)化了仲裁結(jié)構(gòu)。若是實(shí)現(xiàn)虛擬通道到虛擬網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)配置，則需要5×4×4個(gè)仲裁Cell，而目前的設(shè)計(jì)方案只需要5×4個(gè)仲裁Cell，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性，節(jié)省了硬件開銷。

圖8中大小為5×4的矩形實(shí)線框表示仲裁使能窗口，根據(jù)仲裁Cell的原理，當(dāng)i行j列的Cell仲裁成功后，仲裁使能窗口的首行將向下滑動(dòng)至i+1行，在下次仲裁時(shí)，第i+1行的請(qǐng)求信號(hào)優(yōu)先級(jí)變?yōu)樽罡?。由此可見，在使能窗口的控制下，任何輸入端口都有機(jī)會(huì)獲得最高優(yōu)先級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)仲裁輪詢。

3.4 模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)，一個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)先進(jìn)行數(shù)據(jù)包類型的判斷，之后發(fā)送到對(duì)應(yīng)虛擬通道中，并根據(jù)目的地址將數(shù)據(jù)包選擇一條合適的FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在確定接收端有足夠的空間后，開關(guān)矩陣便使能該條FIFO，這樣就可以數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)數(shù)據(jù)包傳送的過程，一條FIFO對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 一條FIFO對(duì)應(yīng)的模塊化結(jié)構(gòu)

當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備在端口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，首先將數(shù)據(jù)包類型信息發(fā)送給數(shù)據(jù)包類型識(shí)別模塊，判斷結(jié)果發(fā)送給虛擬通道FIFO，選擇合適的虛擬通道。之后將目的地址信息發(fā)送給目的地址仲裁模塊，仲裁結(jié)果也發(fā)送給虛擬通道FIFO，選擇虛擬通道上合適的FIFO隊(duì)列進(jìn)行傳輸。當(dāng)確定了數(shù)據(jù)唯一的通道后，通過虛擬通道控制器進(jìn)行空滿判斷，當(dāng)對(duì)應(yīng)端口的out_buffer中有足夠的空間時(shí)，通過虛擬通道控制器控制該FIFO的讀寫功能，通過開關(guān)矩陣使能，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸。根據(jù)操作流程，該路由器的總體工作流程如圖10所示。

圖10 路由器總體工作流程

一條虛擬通道是由多條FIFO隊(duì)列組成的，分別通向不同的目的端口，兩側(cè)也對(duì)應(yīng)著不同的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。為了管理路由器內(nèi)數(shù)目眾多的FIFO，每一條FIFO都配有一個(gè)虛擬通道控制器，用于給虛擬通道FIFO產(chǎn)生讀寫信號(hào)。該虛擬通道控制器接收來自FIFO兩側(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的空滿信號(hào)，也接收開關(guān)矩陣的使能信號(hào)，同時(shí)可以接收上位機(jī)的配置信息。

對(duì)一條虛擬通道的FIFO來說，其具有一個(gè)虛擬通道號(hào)碼和一個(gè)目的端口號(hào)碼，通過目的端口仲裁模塊和數(shù)據(jù)包類型識(shí)別模塊發(fā)送來的兩個(gè)標(biāo)識(shí)，可以唯一確定一條用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腇IFO。虛擬通道控制器通過判斷緩沖區(qū)的空滿狀態(tài)，產(chǎn)生讀寫使能信號(hào)，使FIFO讀寫數(shù)據(jù)。開關(guān)矩陣是用于使能傳輸數(shù)據(jù)的虛擬通道，作為一個(gè)開關(guān)的作用，當(dāng)虛擬通道可以發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使能虛擬通道控制器，以此控制讀寫信號(hào)的產(chǎn)生。

4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)一：數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)總體設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，用Verilog HDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了SpaceFibre的路由器，資源占用率見表1，最小時(shí)鐘周期為4.693 ns，即最大時(shí)鐘頻率為213.083 MHz，時(shí)延為5.963 ns。36位數(shù)據(jù)包在100 MHz的同步時(shí)鐘下，利用率為25%，若是采取異步時(shí)鐘并進(jìn)行時(shí)鐘分配，可以提高利用率。

表1 資源占用率

實(shí)驗(yàn)二：數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆抡?/p>

用Modelsim工具對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，當(dāng)輸入端口接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，將該數(shù)據(jù)包進(jìn)行識(shí)別，通過對(duì)應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的輸出端口，仿真圖如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)包傳輸仿真

當(dāng)虛擬通道的第一個(gè)輸入口VC_in輸入一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)包的包頭進(jìn)行判別，對(duì)應(yīng)輸出端口為第6個(gè)輸出口VC_out。若輸出端口的full標(biāo)志為0，則表示該虛擬通道輸出緩沖區(qū)未滿，可以接收數(shù)據(jù)包。通過開關(guān)矩陣中仲裁Cell的使能，讓虛擬通道FIFO的讀使能fifo_rd和輸出緩沖區(qū)的寫使能VC_wr置為1，表示允許FIFO讀操作和輸出緩沖區(qū)寫操作，該數(shù)據(jù)包就能進(jìn)行傳輸。通過仿真波形可見，VC_out6輸出了數(shù)據(jù)包。

實(shí)驗(yàn)三：進(jìn)行輪詢仲裁的仿真

當(dāng)一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)輸入端口同時(shí)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，若其對(duì)應(yīng)的輸出端口為同一個(gè)，則需要用輪詢仲裁算法進(jìn)行仲裁。仿真圖如圖12所示。

圖12 進(jìn)行輪詢仲裁后數(shù)據(jù)包傳輸仿真

當(dāng)輸入虛擬通道緩沖區(qū)1和輸入虛擬通道緩沖區(qū)4同時(shí)對(duì)輸出虛擬通道緩沖區(qū)6進(jìn)行輸出傳輸時(shí)，通過輪詢仲裁，讓兩個(gè)數(shù)據(jù)包通過VC_in1和VC_in4先后傳入虛擬通道FIFO，再先后傳入VC_out6。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包允許傳輸時(shí)，開關(guān)矩陣中的仲裁Cell會(huì)使能對(duì)應(yīng)FIFO的讀使能fifo_rd和輸出緩沖區(qū)的寫使能VC_wr，使數(shù)據(jù)包順利傳輸。

5 結(jié)束語

SpaceFibre路由器的研究依然處于初步階段，國外只有STAR-Dundee實(shí)現(xiàn)了8端口路由器IP核，但沒有應(yīng)用在航天器上的相關(guān)報(bào)道，而國內(nèi)還沒有SpaceFibre路由器方面的研究。本文實(shí)現(xiàn)了SpaceFibre路由器的功能，仿真后功能和速率都滿足設(shè)計(jì)需求。

本文參考文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[10]中提出的“網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)”概念，提出了一種虛擬通道控制器。網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)是一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)中具有的設(shè)備，為了日后的工作實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)映射，需要考慮虛擬網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的問題，于是為靜態(tài)的虛擬通道FIFO配置控制器是一種靈活的方案。該虛擬通道控制器用于控制虛擬通道的讀寫使能，讀取緩沖區(qū)的空、滿標(biāo)志，并可以由相應(yīng)的路由算法直接配置。

目前虛擬通道到虛擬網(wǎng)絡(luò)的映射采用靜態(tài)方法，通過數(shù)據(jù)包的類型進(jìn)行劃分，對(duì)于虛擬網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)分配問題，需要未來的工作找到一種合適的算法。