FPGA研發之道(22)-交換矩陣

　　如果在FPGA設計中，需要多端口，大數據量的交換，那么交換矩陣則是一個不錯的實現方案。交換矩陣使用的目的主要有幾個，一，靈活的端口轉發。通過交換矩陣靈活實現數據流的靈活交換，減少外部負責控制。 二，高效的轉發效率，交換矩陣能夠實現通常單一總線不能達到的轉發效率，滿足高吞吐量的系統的需要。三，系統設計以交換矩陣為中心，便于IP集成和模塊復用。

　　交換矩陣的實現方案較為復雜，最早的交換沿襲了共享總線式的架構，因此對于某個端口需要傳輸，則其他端口只能阻塞，等待總線空閑后再進行傳輸。而交換矩陣則是一個全互聯的結構。如下圖所示，如有4個輸入，4個輸出的交換矩陣，可認為是一個4端口的交換單元，每個端口包含一個發送接口和一個接收模塊，如端口0就包含發送模塊m0和接收模塊s0。

　　假設每路傳輸的速率為N，則整個交換矩陣的傳輸速率為4N。如何實現一個簡單的交換矩陣。首先可以將整速率個設計分割。將整個設計分割為接受和發送兩個模塊。整個交換單元可以劃分為四個部分，分別是，發送模塊，仲裁模塊，交換模塊，接收模塊。

　　(1) 發送模塊，首先根據某端口接收數據后，根據該數據幀要轉發的端口，發起請求信號。

　　(2) 仲裁模塊：根據請求信號，接收模塊的忙閑狀態，及各發送模塊的優先級，確定當前的響應信號，如果當前的接收模塊忙(上次傳輸未完成)，則需要阻塞，等待上次傳輸完成(復雜的設計，可以保證高優先級能夠打斷當前傳輸，直接傳輸高優先級數據流，高優先級完成后，再恢復原有傳輸，但這種方式設計較為復雜，仿真驗證的難度也較大，不建議使用)。

　　(3) 交換模塊：根據仲裁信號確定發送模塊轉發的端口，交換模塊本質上是多選一的MUX，而MUX的選擇信號，則是由仲裁模塊來進行選擇。

　　(4) 接收模塊：接收交換模塊交換后的數據流，向仲裁模塊返回當前模塊的忙閑狀態(正在接收傳輸信號，為忙狀態，而當前無傳輸狀態，則為閑狀態)。

　　仲裁模塊的仲裁機制，一般可以使用簡單的round-robin的設計，即輪流最高優先級。也可以通過設計帶加權的優先級，保證更高優先級的端口優先進行傳輸。

　　仲裁模塊的仲裁設計可以分為多種，一種是整個交換矩陣使用同一個仲裁單元，每個發送模塊只使用一個請求信號及請求端口號連接到仲裁模塊。這種設計對整個仲裁模塊設計難度較大。另一種設計，如下圖所示，即每個接收單元，配置一個仲裁模塊，和一個交換模塊。而每個發送模塊根據要發送的端口，使用多個發送的請求信號。此種設計便于系統擴展，也可簡化設計。

　　不僅是用于高速多端口轉發的數據流傳輸采用交換矩陣。現在，大多高速總線機制(如N主設備，M從設備之間進行數據的交換)也采用類似交換矩陣式的結構，每個從設備的連接都是多個主設備通過MUX來進行連接，這樣保證多個主設備訪問不同從設備時，可以實現并行的數據交換(如主設備M0訪問從設備S1，主設備M1訪問從設備S2，可以同時進行總線操作)。這是單一競爭式總線所不能達到的優勢，但是，設計占用的邏輯量也會增加。性能的增加帶來的負面影響通常就是邏輯的增加。

　　交換矩陣通常在基于數據包轉發的FPGA設計應用中，交換矩陣的交換靈活性增加，也會增加設計復雜度，如果對于傳輸效率不需太多的需求，可以采用系統復用的方式(前文介紹)，通過一個復用模塊輪流接收各個發送端口的數據流，，再根據端口轉發到各個從設備中，此種方式設計簡單，但是此復用模塊則會成為系統的瓶頸。根據系統的設計需求，選擇適合的設計，達到性能和邏輯方面的平衡，是體現FPGA設計藝術之一。