星載交換機高性能隊列管理器的設計與實現

3隊列管理器工作方法

當系統復位后，隊列管理器對地址空間進行初始化，將可用的地址指針寫入到地址空間。信元存儲空間分為兩部分，一部分為共享存儲空間，另一部分為K個針對每個端口固定分配的信元空間，以確保每個端口都有可用的存儲空間。當一個信元到達時，如果固定分配的空間和共享空間剩余容量之和不能滿足該信元時，則拒絕該信元。隊列管理器只需要知道到達信元的輸出端口和優先級，就可以確定其進入哪個邏輯隊列。信元的寫入和讀出采用狀態機進行控制。

當有新的信元（n，k）到達時，其中n為優先級，1≤n≤N；k為輸出端口，1≤k≤K。信元寫入控制流程如圖4所示。最后根據wr_addr，將信元寫入緩沖區。如果發生隊列擠占，則被擠占的邏輯隊列需要被更新，如果僅有一個信元，則header和tailer都被置0；反之，用前一個信元的地址來更新tailer。寫入信元的邏輯隊列需要被更新：如果該邏輯隊列沒有信元，則header和tailer都被置為wr_addr；反之，將tailer的內容記錄在pre_addr的第wr_addr個地址中，將wr_addr記錄在nxt_addr的第tailer個地址中，tailer的內容被更新為wr_addr。

當有信元讀出時，各輸出端口采用輪詢的方式，信元讀出控制流程如圖5所示。讀出信元的邏輯隊列需要被更新：如果僅有一個信元，則header和tailer都被置0；反之，用下一個信元的地址來更新header，tailer不變。

4仿真結果

本設計采用XilinxVertex-5FPGA實現，開發環境是Xilinx集成開發環境ISE13.1，電路核心模塊用VerilogHDL編程實現，仿真工具采用ModelSimSE。星載交換機有16個輸出端口，信元有4個優先級，PFIFOk為256，SFIFO為4096。仿真驗證結果表明電路功能符合設計要求。

4.1寄存器讀寫指針時序仿真

由仿真時序圖6可以看出，初始狀態時，PFIFO0、PFIFO2、…、PFIFO15和SFIFO都為空，隊列管理器將空閑指針依次寫入PFIFO0、PFIFO2、…、PFIFO15中，當它們都為滿時，最后寫入SFIFO中。

由仿真時序圖7可以看出，隊列管理器首先從PFIFO0中讀出可用指針，當其為空時，就從SFIFO中讀出，然后依次從PFIFO0、PFIFO2、…、PFIFO15中讀出可用指針。當它們都為空時，則從SFIFO中讀出，直到no_ptr=1，說明地址空間無可用指針。

4.2信元的讀寫時序仿真

由仿真時序圖8可以看出，隊列管理器根據信頭中的輸出端口和優先級，依次將信元寫入信元存儲器，信元存儲器形成64個邏輯隊列，然后在調度器的控制下，依次將信元從相應的邏輯隊列中讀出。

在衛星通信中，業務種類繁多且突發性強，用戶對服務質量（QoS）要求較高，而衛星網絡拓撲結構變化快，傳播時延大，這就要求星載交換機具有較小的交換時延和丟包率。本文設計了一種高性能隊列管理器，通過硬件仿真驗證，其基本能夠滿足星載交換機的各種性能指標要求，本隊列管理器采用動態擴展的設計方式，靈活度較大，但也存在許多不足之處，如組播信元的處理考慮不足、可能存在隊頭阻塞問題及IP包的管理問題，有可能由于一個信元的丟失導致整個IP包無法接受，這些都是今后進一步的研究工作。