一種基于FPGA的多時鐘片上網(wǎng)絡研究與設計

　　在FPGA 上設計一個高性能、靈活的、面積小的通信體系結構是一項巨大的挑戰(zhàn)。大多數(shù)基于FPGA 的片上網(wǎng)絡都是運行在一個單一時鐘下。隨著FPGA 技術的發(fā)展，Xilinx 公司推出了Virtex-4 平臺。該平臺支持同一時間內(nèi)32 個時鐘運行，也就是說每個片上網(wǎng)絡的內(nèi)核可以在一個獨立的時鐘下運行， 從而使每個路由器和IP 核都運行在最佳頻率上。因此適用于設計多時鐘片上網(wǎng)絡，實現(xiàn)高性能分組交換片上網(wǎng)絡。

　　1 多時鐘片上網(wǎng)絡架構的分析

　　片上網(wǎng)絡結構包含了拓撲結構、流量控制、路由、緩沖以及仲裁。選擇合適網(wǎng)絡架構方面的元素，將對片上網(wǎng)絡的性能產(chǎn)生重大影響。

　?。?）網(wǎng)絡拓撲：在設計中，選擇Mesh 拓撲結構。Mesh結構擁有最小的面積開銷以及低功耗的特點。此外，Mesh 的線性區(qū)的節(jié)點數(shù)量規(guī)模大以及通道較寬。同時，Mesh 也能很好地映射到FPGA 下的底層路由結構，降低了FPGA 邏輯擁塞和路由器的功耗。

　?。?）流控機制：虛擬直通和蟲洞技術（不像存儲轉發(fā)）有數(shù)據(jù)包的延時與路徑長度成正比。然而，與復雜的蟲洞路由器相比， 虛擬直通的路由器更加適合于設計的實現(xiàn)。因此，選擇虛擬直通流量控制機制作為路由器的流量控制機制。相比較蟲洞機制，它能支持更高的吞吐量，在堵塞時能更有效地釋放緩存。此外，虛擬直通流量控制低延時的高信道利用率， 與此同時并不保留物理通道。

　?。?）路由算法：選擇XY 算法作為設計所采用的路由算法。該算法中分組的路由只取決于源節(jié)點和目的節(jié)點的地址，而與網(wǎng)絡狀況無關。當使用算法時首先在X 維上進行路由，當?shù)竭_與目的節(jié)點同一列時，轉向在Y 維上的路由，最后到達目的節(jié)點。該算法對硬件要求簡單和實現(xiàn)容易， 在網(wǎng)絡流量不大時， 具有較小的時延，能夠有效避免死鎖和活鎖。

　?。?）仲裁機制：輸入端口分配是基于簡單的Roundrobin[3]機制。上次接收或解決接收的端口會放在隊列的末端。切換時到下游的數(shù)據(jù)包。當交換數(shù)據(jù)包時，F(xiàn)IFO的虛擬通道也遵循這種機制。

　　2 路由器微節(jié)點結構的設計

　　多時鐘片上網(wǎng)絡的路由器由5 個輸入端口、交叉點矩陣和中央的仲裁器三部分組成。除了頭譯碼邏輯，5 個輸入端口都是相同的。由于設計中采取了虛擬通道流控機制（VCS），因此輸入端口就必須包含仲裁邏輯。與此同時， 輸入端口還應包含輸入緩沖區(qū)來存儲輸入的數(shù)據(jù)包。

　　2.1 數(shù)據(jù)包

　　利用Xilinx block RAM， 設置深度為16 的FIFO（先入先出隊列），數(shù)據(jù)包的大小能在24 位與128 位之間變化，每個數(shù)據(jù)包HEADER（包頭）占用一個flit（數(shù)據(jù)片）。flit 的大小固定在8 位。數(shù)據(jù)包頭包含路由目標地址、flit 的類型以及部分數(shù)據(jù)包。設計中采用的虛擬直通流量控制需要1 位去指定數(shù)據(jù)片的類型。路由器支持可變化大小的數(shù)據(jù)包， 通過編碼將數(shù)據(jù)包的大小編譯為字段，作為bRAM 所需要的部分，放在數(shù)據(jù)包頭部。每個IP 核的網(wǎng)絡接口（NI）起到存儲在數(shù)據(jù)包頭部的信息的作用。當需要更高粒度數(shù)據(jù)包時，部分數(shù)據(jù)包的位數(shù)以及寬度將會相應的增加。增加部分數(shù)據(jù)包的位數(shù)的同時也提高了緩存的利用率。數(shù)據(jù)包首部保留的位數(shù)將用于實現(xiàn)基于優(yōu)先級的流量控制。