千兆網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器的緩存管理單元的設(shè)計(jì).pdf

1、近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展和主干網(wǎng)的快速部署，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等“互聯(lián)網(wǎng)+”新型技術(shù)得到了爆炸式的發(fā)展。在信息化時(shí)代下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高速傳輸和信息安全已經(jīng)成為國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)健康快速發(fā)展戰(zhàn)略中不可忽視的一部分。隨著100Gbps主干網(wǎng)的部署完成，采用軟硬結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器芯片逐漸替代傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理方案來(lái)滿足現(xiàn)階段地區(qū)或企業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)處理帶寬需求。各種業(yè)務(wù)報(bào)文的快速處理和轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器提出了較高的報(bào)文緩

2、存管理性能要求。采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的緩存管理單元已經(jīng)成為高性能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器中必不可少的部分，具有十分重要的研究意義。
　　本文以國(guó)家核高基項(xiàng)目“千兆網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器”為研究背景，提出了基于兩級(jí)FIFO的地址管理方式和分區(qū)式存儲(chǔ)緩存管理方式相結(jié)合的方案，實(shí)現(xiàn)了緩存管理單元(Buffer Management Unit，BMU)的硬件電路設(shè)計(jì)。緩存管理單元分為緩存標(biāo)號(hào)(Identity，ID)管理通道和緩存數(shù)據(jù)管理通道，兩個(gè)通道功能上相

3、互獨(dú)立，共用一個(gè)AXI總線的Master接口，以Burst方式去訪問(wèn)片外高達(dá)1GB的緩存空間，具有一定的時(shí)效性和創(chuàng)新性。緩存ID管理通道采用基于兩級(jí)FIFO的管理方式實(shí)現(xiàn)了緩存ID高效的申請(qǐng)釋放操作。緩存數(shù)據(jù)管理通道采用分區(qū)式存儲(chǔ)管理方式將片外緩存空間劃分為9種大小的緩存區(qū)間，提高了緩存空間的利用率。BMU采用動(dòng)態(tài)加權(quán)輪詢仲裁算法實(shí)現(xiàn)了多接口共享型緩存管理的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，本文對(duì)緩存管理單元進(jìn)行模塊劃分和結(jié)構(gòu)分析，并使用Verilo

4、g語(yǔ)言完成各模塊的RTL設(shè)計(jì)。
　　本文首先搭建功能驗(yàn)證平臺(tái)，使用Synopsys公司的VCS和Verdi仿真工具進(jìn)行功能仿真，結(jié)果證明該單元能正確實(shí)現(xiàn)緩存ID的申請(qǐng)釋放功能和緩存數(shù)據(jù)的讀寫功能;然后使用SMIC65nm的工藝庫(kù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行DC綜合，結(jié)果證明該單元能正常工作在400MHz的時(shí)鐘下;最后在Xilinx ML605型號(hào)的FPGA開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證，結(jié)果證明該單元實(shí)現(xiàn)了緩存ID的亂序、高效管理，緩存數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功