在FPGA 上設計一個高性能、靈活的、面積小的通信體系結(jié)構(gòu)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(shù)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(gòu)的分析

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

（1）網(wǎng)絡拓撲：在設計中，選擇Mesh 拓撲結(jié)構(gòu)。Mesh結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，降低了FPGA 邏輯擁塞和路由器的功耗。

（2）流控機制：虛擬直通和蟲洞技術(shù)（不像存儲轉(zhuǎn)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。

（3）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(guān)。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(zhuǎn)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。

（4）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(jié)構(gòu)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。

2.2 輸入端口

路由器有5 個輸入端口， 通過端口分別與內(nèi)核及鄰近的路由器通信， 這5 個端口按在方位可分為本地（L），北（N），東（E），南（S），西（W）。每個輸入端口可以支持虛擬通道多路復用，相關(guān)聯(lián)的仲裁器，以及頭譯碼邏輯，從而作出路由決定。如圖1，輸入端口的3 個主要組成部分分別是虛擬通道選擇器、FIFO bRAMs 以及bRAM 仲裁器。虛擬通道選擇器：決定輸入端緩存的使用空間的決定權(quán)在虛擬通道選擇器。當數(shù)據(jù)包大小以編碼形式傳播時，虛擬通道選擇器接收數(shù)據(jù)包的首部。當虛擬通道選擇器收到來自上游路由器或者來自自身核心的數(shù)據(jù)時， 虛擬通道選擇器就會拿數(shù)據(jù)包的大小跟虛擬通道目前可以容納數(shù)據(jù)包的大小進行比較。這么做的目的是為了能夠使輸入的數(shù)據(jù)能夠符合FIFO 中write_count 的大小。如果有足夠的空間存在，則虛擬通道選擇器將同意輸入請求， 同時反饋信息。在此過程中，虛擬通道選擇器還設置了輸入端解復用器。解復用器的作用是使數(shù)據(jù)包從輸入通道傳輸?shù)秸_的復用器的輸入緩存中。FIFO bRAMs：在所設計的路由器中，緩沖區(qū)的深度將參數(shù)化，在試驗時同時將其深度設置為16 。這些緩存區(qū)將被作為bRAM FIFO 的存儲器，同時起到以下作用：