一種應(yīng)用于星載交換機(jī)的DDR3 共享存儲(chǔ)交換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王雷淘，喬廬峰，續(xù) 欣

（陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210001）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長(zhǎng)，衛(wèi)星通信以其廣闊的覆蓋范圍、穩(wěn)定可靠的性能、靈活機(jī)動(dòng)的接入、大容量寬頻帶、成本對(duì)距離不敏感等優(yōu)點(diǎn)，在全球互聯(lián)網(wǎng)中扮演著愈加重要的角色[1-3]。星載路由器的一大特點(diǎn)在于其帶寬和存儲(chǔ)資源十分珍貴。DDR3 以其存儲(chǔ)容量大、讀寫(xiě)速度快等特點(diǎn)，越來(lái)越多的被應(yīng)用于路由器中隊(duì)列管理器的設(shè)計(jì)當(dāng)中[4]。常見(jiàn)的基于DDR3 的隊(duì)列管理器中，都采取將數(shù)據(jù)實(shí)際存入DDR3 中，將地址指針?biāo)腿腙?duì)列控制器中的鏈表建立虛擬出口隊(duì)列的方式[5]。然而，當(dāng)需要讀出數(shù)據(jù)時(shí)，輸出電路僅能從隊(duì)列中獲取待輸出數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)位置的起始地址指針，而無(wú)法獲取數(shù)據(jù)包的實(shí)際長(zhǎng)度，在實(shí)際操作時(shí)，需要暫停DDR3 的讀操作以獲取數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度信息，這無(wú)疑降低了DDR3 的讀寫(xiě)效率，影響了整個(gè)路由器的傳輸性能。一種解決方法是利用長(zhǎng)度信息SRAM，將每一個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度信息存儲(chǔ)其中，在獲取待讀出數(shù)據(jù)包的起始地址指針時(shí)，從該SRAM中讀出數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度信息，將其同起始地址指針一起送往DDR3 控制器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的連續(xù)讀出。但是，針對(duì)于星載路由器存儲(chǔ)資源十分珍貴這一特點(diǎn)，這種解決方式明顯并不適合。

本文在上述分析的基礎(chǔ)上，基于FPGA 硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種基于DDR3 的星載路由器的隊(duì)列管理器。隊(duì)列管理器通過(guò)調(diào)用片外DDR3 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，增大了緩沖區(qū)容量，并設(shè)置共享存儲(chǔ)區(qū)，可以有效應(yīng)對(duì)突發(fā)，提高了抗流量波動(dòng)的能力。在本電路中，本文采取了一種可以連續(xù)對(duì)多個(gè)讀出請(qǐng)求進(jìn)行操作的設(shè)計(jì)方案，保證了DDR3 的連續(xù)讀寫(xiě)。同時(shí)，為了減少存儲(chǔ)地址指針時(shí)的資源消耗，本電路采用了基于大數(shù)據(jù)塊的存儲(chǔ)區(qū)分配方式，將存儲(chǔ)區(qū)分為了16 384 塊大小相同的存儲(chǔ)塊，使用塊指針加上塊內(nèi)信元指針的方式對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行尋址，并設(shè)置了基于sram 的指針緩沖區(qū)[6]。本文將進(jìn)一步詳細(xì)介紹其具體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)包括前級(jí)的預(yù)處理電路、查找引擎，后級(jí)的輸出調(diào)度器和輸出合路電路等，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

在圖1 中，輸入至該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流首先經(jīng)過(guò)合路電路和查找引擎進(jìn)行預(yù)處理，而后送入隊(duì)列管理器。在預(yù)處理過(guò)程中，電路會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類(lèi)，傳統(tǒng)的流分類(lèi)策略主要是依據(jù)數(shù)據(jù)包報(bào)文頭中的五元組（源IP 地址、目的IP 地址、源MAC 地址、目的MAC 地址和協(xié)議種類(lèi)），這種分類(lèi)方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、判定速度快，適于硬件實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)分類(lèi)的數(shù)據(jù)流，會(huì)在數(shù)據(jù)包報(bào)文頭頭前面增加一個(gè)本地頭，其中包含了包長(zhǎng)、輸入輸出端口號(hào)、所屬隊(duì)列號(hào)（FLOW_ID）等信息。

2 隊(duì)列管理器設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)流量管理中，主要存在兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)制：一個(gè)是對(duì)不同應(yīng)用或協(xié)議對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)流進(jìn)行區(qū)分的流量分類(lèi)機(jī)制；另一個(gè)則是用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的緩沖管理、基于流的排隊(duì)管理、輸出調(diào)度和輸出速度控制的隊(duì)列管理機(jī)制。

本電路使用的隊(duì)列管理器邏輯模型如圖2 所示。

圖2 隊(duì)列管理器邏輯模型

其主體結(jié)構(gòu)為多個(gè)相互獨(dú)立的鏈表隊(duì)列，不同的隊(duì)列分別對(duì)應(yīng)于特定的協(xié)議或應(yīng)用，隊(duì)列之間使用在預(yù)處理電路中生成并放置于本地頭中的隊(duì)列好（FLOW_ID）進(jìn)行區(qū)分。FLOW_ID 的數(shù)值范圍可以根據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)際需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，最大可同時(shí)對(duì)數(shù)千個(gè)隊(duì)列進(jìn)行管理?？紤]到星載路由器存儲(chǔ)資源十分珍貴的特點(diǎn)，本電路采用DDR3 作為隊(duì)列管理器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，從而在盡量降低片內(nèi)資源消耗的同時(shí)，保證了數(shù)據(jù)緩沖空間的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)大量隊(duì)列的精確管理。

針對(duì)于隊(duì)列管理器，具體的電路細(xì)節(jié)如圖3 所示，其中包括寫(xiě)入預(yù)處理電路、自由指針管理電路、隊(duì)列控制電路、DDR3 控制器。

圖3 隊(duì)列管理器的電路結(jié)構(gòu)

其中，需要特別說(shuō)明的是，針對(duì)自由指針管理電路，其主要負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)當(dāng)前所有可以使用的地址指針，同時(shí)執(zhí)行地址指針的分發(fā)和回收功能。

本電路中采用基于塊的存儲(chǔ)區(qū)分配，使用塊指針和塊內(nèi)指針聯(lián)合尋址的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DDR3 中，鏈表隊(duì)列中實(shí)際排隊(duì)的是使用的是數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的塊指針，因此自由指針管理電路中僅需使用128 k 大小的sram 即可存儲(chǔ)全部的塊指針，大大降低了自由指針管理電路存儲(chǔ)地址指針時(shí)的存儲(chǔ)資源消耗。

本文所設(shè)計(jì)的隊(duì)列管理器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）對(duì)于每一隊(duì)列，都預(yù)先保留了一定大小的緩沖區(qū)。同時(shí)設(shè)立共享緩存區(qū)，可供個(gè)別隊(duì)列在私有存儲(chǔ)區(qū)耗盡時(shí)申請(qǐng)使用，避免丟包；

（2）使用片外存儲(chǔ)器DDR3 作為數(shù)據(jù)緩存區(qū)，極大的并提高了存儲(chǔ)容量。同時(shí)以塊為單位對(duì)DDR3 進(jìn)行劃分并分配指針，使用塊所對(duì)應(yīng)的指針以鏈表的形式構(gòu)建邏輯隊(duì)列，降低存儲(chǔ)地址指針時(shí)的存儲(chǔ)資源消耗，并降低了讀寫(xiě)數(shù)據(jù)包時(shí)，打開(kāi)不同bank、行時(shí)的額外時(shí)間消耗；

（3）在DDR3 控制器中，將讀數(shù)據(jù)和分析本地頭的工作分開(kāi)進(jìn)行，使得DDR3 控制器可以連續(xù)處理多個(gè)讀請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)了DDR3 的連續(xù)讀寫(xiě)，進(jìn)而提高了路由器的傳輸性能。

2.1 基于塊的存儲(chǔ)區(qū)分配

隊(duì)列管理器的設(shè)計(jì)往往要求具備一定的抗流量抖動(dòng)能力。假設(shè)在某一時(shí)刻，某一個(gè)或某幾個(gè)隊(duì)列對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流連續(xù)突發(fā)，而隊(duì)列管理器又無(wú)法及時(shí)輸出時(shí)，則需要為這些隊(duì)列分配額外更多的存儲(chǔ)資源，這對(duì)緩沖空間的大小提出了更高的要求。同時(shí)，在隊(duì)列管理器中，數(shù)據(jù)實(shí)際存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)的讀寫(xiě)速度也就決定了隊(duì)列管理器的吞吐率上限。

由于DDR3 存儲(chǔ)容量大、讀寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，本電路采用DDR3 作為片外存儲(chǔ)區(qū)。DDR3 為了提高讀寫(xiě)的效率，采取了突發(fā)操作，在突發(fā)長(zhǎng)度為8，位寬為64 bits 的情況下，一次突發(fā)操作可以寫(xiě)入或者讀出64 字節(jié)的數(shù)據(jù)。在寫(xiě)預(yù)處理電路中完成了將經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)包包長(zhǎng)填充為64 字節(jié)的整數(shù)倍，并將一個(gè)數(shù)據(jù)包劃分為了多個(gè)長(zhǎng)度為64 字節(jié)的信元的操作，這樣，一次突發(fā)即可完成一個(gè)信元的寫(xiě)入或者讀出操作。本電路采用的基于塊的存儲(chǔ)區(qū)分配，即將存儲(chǔ)區(qū)劃分為16 384 個(gè)大小相同的存儲(chǔ)塊，每個(gè)存儲(chǔ)塊對(duì)應(yīng)一個(gè)塊指針，在塊內(nèi)使用塊內(nèi)指針進(jìn)行尋址，當(dāng)數(shù)據(jù)包輸入時(shí)，實(shí)際存儲(chǔ)在DDR3 中，然后將其對(duì)應(yīng)的塊指針?biāo)腿腈湵碇薪⑻摂M輸出隊(duì)列。如圖4 所示。

圖4 基于塊的存儲(chǔ)區(qū)分配

在寫(xiě)入預(yù)處理電路中設(shè)置了兩塊sram 存儲(chǔ)各隊(duì)列的詳細(xì)信息，包括首尾塊指針、首尾塊內(nèi)指針等。由于在存儲(chǔ)塊內(nèi)，信元總是按順序存儲(chǔ)，因此每次寫(xiě)入或讀出數(shù)據(jù)包時(shí)，只需要根據(jù)該隊(duì)列的隊(duì)列編號(hào)，從寄存器中獲取對(duì)應(yīng)的首尾塊指針和塊內(nèi)指針，即可迅速定位到該隊(duì)列的首尾位置，進(jìn)行讀寫(xiě)操作。而每個(gè)數(shù)據(jù)包本地頭中都包含有該包長(zhǎng)度，在每次讀寫(xiě)操作完成后，可以很方便的對(duì)首尾指針進(jìn)行更新。

同時(shí)，由于DDR3 的讀寫(xiě)特性，每次讀寫(xiě)時(shí)需要按照順序打開(kāi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的所在bank、行、列，消耗一定的時(shí)鐘周期，按照通常的存儲(chǔ)方式，即有可能出現(xiàn)同一個(gè)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在不同行、不同bank 的情況，在讀寫(xiě)時(shí)消耗額外大量的時(shí)鐘周期。通過(guò)劃分大塊存儲(chǔ)區(qū)的方式，基本可以保證同一個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相同bank 的相同行內(nèi)，避免了讀寫(xiě)時(shí)在不同bank 和行之間切換，有利于提高DDR3的讀寫(xiě)效率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的吞吐率。

2.2 工作流程

系統(tǒng)上電之后，DDR3 控制器首先需要對(duì)DDR3進(jìn)行初始化操作。初始化完成后，即可按照?qǐng)D5 所示的工作流程開(kāi)始數(shù)據(jù)包的輸入操作。

圖5 寫(xiě)入工作流程

數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)預(yù)處理電路后到達(dá)隊(duì)列管理器時(shí)，包頭前加裝了本地頭，其中包含了隊(duì)列編號(hào)、出端口位圖、包長(zhǎng)等信息。寫(xiě)入預(yù)處理電路根據(jù)數(shù)據(jù)流的隊(duì)列編號(hào)（Flow ID），從存儲(chǔ)隊(duì)列信息的sram中獲取該隊(duì)列的首指針地址、尾指針地址、隊(duì)列深度等詳細(xì)信息，如果當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度（已使用存儲(chǔ)區(qū)）沒(méi)有超過(guò)私有存儲(chǔ)區(qū)，則直接進(jìn)行指針獲取、數(shù)據(jù)寫(xiě)入、隊(duì)列信息更新的流程。若已經(jīng)超過(guò)私有存儲(chǔ)區(qū)，則轉(zhuǎn)而向共享緩存區(qū)域申請(qǐng)存儲(chǔ)資源，申請(qǐng)成功后，才能繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的操作。

讀出操作與寫(xiě)入操作類(lèi)似，如圖6 所示。

圖6 輸出工作流程

當(dāng)有鏈表隊(duì)列中有完整數(shù)據(jù)包可以輸出時(shí)，調(diào)度器根據(jù)其隊(duì)列編號(hào)從隊(duì)列信息寄存器中獲取首尾指針等信息，并判斷，若當(dāng)前存儲(chǔ)塊已經(jīng)讀空，則向鏈表隊(duì)列申請(qǐng)新的塊指針，歸還當(dāng)前塊地址給自由指針電路，并更新鏈表信息，將新的塊指針和塊內(nèi)指針?biāo)腿隓DR3 控制器，若當(dāng)前存儲(chǔ)塊尚未讀空，則將當(dāng)前塊指針和塊內(nèi)指針?biāo)腿隓DR3 控制器。DDR3 控制器根據(jù)讀請(qǐng)求和地址指針，將數(shù)據(jù)包從DDR3 中讀出，最后更新隊(duì)列信息。

在DDR3 控制器根據(jù)讀請(qǐng)求從DDR3 中讀數(shù)據(jù)時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題，即跟隨讀請(qǐng)求一同送入的地址指針僅指示了等待讀取的數(shù)據(jù)包在DDR3 中的起始地址，并不攜帶數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度信息，控制器也就無(wú)法確定要從DDR3 中讀取多少數(shù)據(jù)。因此，控制器在從DDR3 中讀出第一個(gè)信元后，需要暫停讀出操作，從首信元中分離出本地頭，進(jìn)而獲取數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度信息，然后再繼續(xù)執(zhí)行讀操作，將數(shù)據(jù)包的剩余信元完全讀出。在分離本地頭、獲取長(zhǎng)度信息的這個(gè)過(guò)程中，DDR3 的讀操作處于停滯狀態(tài)，降低了其讀寫(xiě)效率，對(duì)于路由器的吞吐率造成了一定的影響。一種解決方案是利用sram 將各數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度信息都存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)發(fā)出讀信號(hào)時(shí)，將數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度信息同地址指針一同送入DDR3 控制器中，這樣雖然解決了DDR3 連續(xù)讀寫(xiě)的問(wèn)題，但當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包較多時(shí)，存儲(chǔ)各數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度信息需要消耗額外大量的存儲(chǔ)資源。

3 DDR3 控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于調(diào)用DDR3 作為片外存儲(chǔ)區(qū)的電路而言，DDR3 的帶寬決定了本電路吞吐率的上限，因此，保證DDR3 的連續(xù)讀寫(xiě)是提高電路性能的關(guān)鍵。在數(shù)據(jù)包讀出時(shí)，DDR3 控制器依據(jù)從隊(duì)列中讀出的塊指針和塊內(nèi)指針對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行讀出操作，由于隊(duì)列和隊(duì)列信息sram 中不包含數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的實(shí)際情況，DDR3 控制器需要在讀出數(shù)據(jù)包首信元后暫停對(duì)DDR3 的讀請(qǐng)求，從首信元的本地頭中分析出數(shù)據(jù)包總長(zhǎng)度，然后再繼續(xù)從DDR3 中讀出數(shù)據(jù)包的剩余信元，在分析首信元這一過(guò)程中，DDR3 讀操作一度處于停滯狀態(tài)，大大降低了DDR3 的讀寫(xiě)效率。本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種將讀出信元和分析首信元的工作分開(kāi)，可以連續(xù)處理多個(gè)讀信號(hào)的DDR3控制器設(shè)計(jì)方案，保證當(dāng)有讀寫(xiě)請(qǐng)求時(shí)，DDR3 可以連續(xù)讀寫(xiě)，不存在停滯，同時(shí)避免了消耗額外的資源去存儲(chǔ)各數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度信息。

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在對(duì)首信元進(jìn)行分析獲取包長(zhǎng)的這段時(shí)間內(nèi)，DDR3 并不是無(wú)法進(jìn)行讀操作，而是無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行當(dāng)前數(shù)據(jù)包后續(xù)信元的讀操作。因此，我們可以考慮讓DDR3 控制器在對(duì)某數(shù)據(jù)包的首信元進(jìn)行分析的過(guò)程中，暫時(shí)擱置對(duì)該數(shù)據(jù)包的讀操作，先對(duì)后續(xù)的讀請(qǐng)求進(jìn)行應(yīng)答，讀出相應(yīng)的信元，等到有首信元分析完畢時(shí)，再來(lái)繼續(xù)讀出該數(shù)據(jù)包的剩余信元。DDR3 控制器其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 DDR3 控制器結(jié)構(gòu)

本電路中將DDR3 控制器主要分為讀請(qǐng)求處理模塊和信元處理模塊兩部分。讀請(qǐng)求處理模塊負(fù)責(zé)根據(jù)調(diào)度器發(fā)來(lái)的讀請(qǐng)求和信元處理模塊發(fā)來(lái)的后續(xù)信元讀請(qǐng)求，從DDR3 中讀出數(shù)據(jù)，信元處理模塊則負(fù)責(zé)對(duì)從DDR3 中讀出的信元進(jìn)行判斷，若是首信元，則先存入首信元緩沖中，分析獲取包頭等信息，形成后續(xù)信元讀請(qǐng)求，送入讀請(qǐng)求處理模塊，若不是首信元，則送入輸出緩沖中等待輸出。具體的工作流程如圖8 所示。

圖8 DDR3 工作流程

讀請(qǐng)求處理處理模塊對(duì)調(diào)度器發(fā)出的讀請(qǐng)求和信元處理模塊發(fā)出的讀請(qǐng)求進(jìn)行輪詢(xún)監(jiān)測(cè)。對(duì)于調(diào)度器發(fā)出的讀請(qǐng)求，讀請(qǐng)求處理模塊根據(jù)地址指針，從DDR3 中讀出數(shù)據(jù)包首信元，而后暫時(shí)擱置該數(shù)據(jù)包的讀操作，繼續(xù)處理其他讀請(qǐng)求；對(duì)于信元處理模塊發(fā)出的讀請(qǐng)求，讀請(qǐng)求處理模塊根據(jù)地址指針和包長(zhǎng)信息，可以從DDR3 中讀出數(shù)據(jù)包的全部剩余信元，完成數(shù)據(jù)包的讀操作。

信元處理模塊則時(shí)刻對(duì)DDR3 緩沖進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)其中有數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行判斷，若是首信元，且不是單信元數(shù)據(jù)包，則開(kāi)始進(jìn)行分離本地頭、獲取包長(zhǎng)信息、生成后續(xù)信元讀請(qǐng)求的操作；若是首信元且是單信元數(shù)據(jù)包，表示該數(shù)據(jù)包已經(jīng)輸出完畢，可以直接將其送入輸出緩沖中等待輸出；若不是首信元，表示讀請(qǐng)求處理模塊正在完成某數(shù)據(jù)包剩余信元的讀出工作，則將該數(shù)據(jù)包的首信元和后續(xù)信元一起送入輸出緩沖中，等待輸出。

本設(shè)計(jì)通過(guò)將處理讀信號(hào)和分析首信元的工作分入兩個(gè)模塊進(jìn)行，使得控制器可以連續(xù)處理多個(gè)讀請(qǐng)求，避免DDR3 讀操作進(jìn)入停滯狀態(tài)，保障了DDR3 的讀寫(xiě)效率，提高了電路的傳輸性能。

4 仿真結(jié)果與分析

本設(shè)計(jì)中，隊(duì)列管理器的電路核心模塊采用Verilog HDL 編程實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)環(huán)境采用的是Xilinx集成開(kāi)發(fā)環(huán)境VIVADO 2018.3，使用仿真軟件Modelsim SE-64 2019.2對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行行為級(jí)仿真。

4.1 數(shù)據(jù)包輸入及隊(duì)列狀態(tài)更新的仿真

如圖9 所示，前級(jí)有數(shù)據(jù)包可以輸入時(shí)（i_frame_ptr_fifo_ft_empty）,從指針中獲取該包所屬的流編號(hào)（wr_flowid），進(jìn)而從存儲(chǔ)隊(duì)列信息的sram中獲取首尾地址指針等隊(duì)列信息（如圖中①）。當(dāng)需要申請(qǐng)新的存儲(chǔ)塊時(shí)，向自由指針電路發(fā)送請(qǐng)求（ll_wr_req），并附帶流編號(hào)（ll_wr_flowid）（如圖中②），自由指針電路收到請(qǐng)求后，首先獲取該流當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度和門(mén)限值，若隊(duì)列長(zhǎng)度小于門(mén)限值，表示為該流預(yù)留的存儲(chǔ)區(qū)還有剩余，將新申請(qǐng)的塊指針?lè)祷貙?xiě)入電路（如圖中③）。收到塊指針后，將數(shù)據(jù)包送入輸出緩沖fifo（i_frame_data_fifo_ft_dout），準(zhǔn)備送入DDR3 控制器中（o_cell_data_fifo_ft_din）（如圖中④）。寫(xiě)入完成后，該隊(duì)列的長(zhǎng)度、首尾指針等都有變化，對(duì)隊(duì)列信息進(jìn)行更新（depth_flag_refresh），DDR3 控制器收到寫(xiě)入請(qǐng)求后，將數(shù)據(jù)包寫(xiě)入DDR3 中（如圖中⑤）。

圖9 數(shù)據(jù)包輸入仿真

4.2 數(shù)據(jù)包輸出仿真圖

如圖10 所示，當(dāng)某隊(duì)列中有完整數(shù)據(jù)包時(shí)，向調(diào)度器發(fā)出一個(gè)可讀信號(hào)（q_rdy），若正好此時(shí)端口空閑（port_rdy），則向隊(duì)列管理器發(fā)出讀信號(hào)（q_status_rd_req），申請(qǐng)要讀出數(shù)據(jù)包的地址指針（如圖①）。調(diào)度器收到地址指針后（rd_addr），將其寫(xiě)入面向DDR3 控制器的讀信號(hào)緩沖中（sdram_req_fifo_ft_din），等待從DDR3 中輸出（如圖②）。等到數(shù)據(jù)包輸出完畢后，DDR3 控制器將已經(jīng)剛讀出的數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息送回調(diào)度器當(dāng)中（sdram_rtn_fifo_ft_din）（如圖③），調(diào)度器從中獲取該包所屬的流編號(hào)（q_status_ref_flowid）、包長(zhǎng)度（q__status_ref_len）后送到隊(duì)列管理器當(dāng)中，隊(duì)列管理器根據(jù)收到的信息對(duì)隊(duì)列信息寄存器進(jìn)行更新，若該數(shù)據(jù)包是數(shù)據(jù)塊中的最后一個(gè)包，則此時(shí)該數(shù)據(jù)塊為空，隊(duì)列控制器想自由指針控制電路發(fā)出請(qǐng)求歸還指針（rtn_ptr_req）（如圖④）。

4.3 DDR3 控制器工作仿真圖

如圖11 所示，讀信號(hào)處理電路當(dāng)收到前級(jí)發(fā)來(lái)的讀請(qǐng)求（sdram_req_fifo_ft_empty）時(shí)，首先從中讀信息（sdram_req_fifo_ft_dout）中獲取數(shù)據(jù)包起始地址（read_start_addr）送往DDR3 中（app_addr），請(qǐng)求讀出數(shù)據(jù)，隨后交由信元處理電路分析該數(shù)據(jù)包的首信元，暫時(shí)擱置該讀請(qǐng)求，繼續(xù)處理其他讀請(qǐng)求（如圖中①）。

當(dāng)收到來(lái)自信元處理電路的讀請(qǐng)求時(shí)（sdram_secreq_fifo_empty），讀信號(hào)處理電路根據(jù)包長(zhǎng)度，將數(shù)據(jù)包剩余信元全部讀出（如圖中②）。

圖10 數(shù)據(jù)包輸出仿真

圖11 DDR3 控制器工作仿真

DDR3 輸出的信元（app_rd_data）存儲(chǔ)在一個(gè)DDR3 輸出緩沖當(dāng)中，等待進(jìn)一步處理（w512_ddr_rd_data_fifo_ft_din）（如圖中③）。信元處理器檢測(cè)到緩沖區(qū)有信元時(shí)，首先檢測(cè)是否首信元（cell_first），若是，則將后續(xù)信元起始地址和包長(zhǎng)作為新的讀信號(hào)，發(fā)送給讀信號(hào)處理電路（sdram_sec_req_fifo_din）（如圖中④）。等到數(shù)據(jù)包完全讀出后，將其存入輸出緩沖中，等待輸出（如圖中⑤）。

5 性能分析

星載路由器對(duì)資源消耗、吞吐率等都有嚴(yán)格的要求，在資源消耗較低的前提下仍能保證一定的吞吐量。電路基于Xilinx Virtex-7 XC7V690T 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，圖12 所示為該設(shè)計(jì)的硬件資源消耗情況。從圖中可以看到，在調(diào)用外部DDR3 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，雖然訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)區(qū)的時(shí)間會(huì)增加，但對(duì)應(yīng)的片內(nèi)硬件資源消耗也較低，實(shí)際占用的BRAM 資源僅為18%。

圖13 為本設(shè)計(jì)的功耗評(píng)估報(bào)告，電路中大量采用了狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，其與流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)能耗相對(duì)較低，可以看到整個(gè)隊(duì)列管理器動(dòng)態(tài)功耗4.391 W，存儲(chǔ)部分的功耗只占了20%。

圖12 FPGA 內(nèi)部硬件資源消耗

圖13 功耗評(píng)估報(bào)告

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于FPGA 硬件平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)流量管理系統(tǒng)架構(gòu)，基于流建立隊(duì)列并進(jìn)行資源預(yù)留，同時(shí)，為了減少片內(nèi)資源消耗，提供更大的數(shù)據(jù)緩存功能，本系統(tǒng)使用了片外DDR3 作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)其中的核心關(guān)鍵模塊，隊(duì)列管理器和DDR3 控制器，進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

仿真結(jié)果表明，該電路能夠?qū)Σ煌臄?shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)有效管理，實(shí)現(xiàn)資源預(yù)留，正確地完成了數(shù)據(jù)流的寫(xiě)入與讀取操作，能夠?qū)Σ煌臉I(yè)務(wù)提供絕對(duì)服務(wù)保證，減少了關(guān)鍵業(yè)務(wù)的時(shí)延。