FPGA研发之道(22)-交换矩阵

作者：阿昏豆

如果在FPGA设计中，需要多端口，大数据量的交换，那么交换矩阵则是一个不错的实现方案。交换矩阵使用的目的主要有几个，一，灵活的端口转发。通过交换矩阵灵活实现数据流的灵活交换，减少外部负责控制。 二，高效的转发效率，交换矩阵能够实现通常单一总线不能达到的转发效率，满足高吞吐量的系统的需要。三，系统设计以交换矩阵为中心，便于IP集成和模块复用。

交换矩阵的实现方案较为复杂，最早的交换沿袭了共享总线式的架构，因此对于某个端口需要传输，则其他端口只能阻塞，等待总线空闲后再进行传输。而交换矩阵则是一个全互联的结构。如下图所示，如有4个输入，4个输出的交换矩阵，可认为是一个4端口的交换单元，每个端口包含一个发送接口和一个接收模块，如端口0就包含发送模块m0和接收模块s0。



假设每路传输的速率为N，则整个交换矩阵的传输速率为4N。如何实现一个简单的交换矩阵。首先可以将整速率个设计分割。将整个设计分割为接受和发送两个模块。整个交换单元可以划分为四个部分，分别是，发送模块，仲裁模块，交换模块，接收模块。

（1）               发送模块，首先根据某端口接收数据后，根据该数据帧要转发的端口，发起请求信号。

（2）               仲裁模块：根据请求信号，接收模块的忙闲状态，及各发送模块的优先级，确定当前的响应信号，如果当前的接收模块忙（上次传输未完成），则需要阻塞，等待上次传输完成（复杂的设计，可以保证高优先级能够打断当前传输，直接传输高优先级数据流，高优先级完成后，再恢复原有传输，但这种方式设计较为复杂，仿真验证的难度也较大，不建议使用）。

（3）               交换模块：根据仲裁信号确定发送模块转发的端口，交换模块本质上是多选一的MUX，而MUX的选择信号，则是由仲裁模块来进行选择。

（4）               接收模块：接收交换模块交换后的数据流，向仲裁模块返回当前模块的忙闲状态（正在接收传输信号，为忙状态，而当前无传输状态，则为闲状态）。

仲裁模块的仲裁机制，一般可以使用简单的round-robin的设计，即轮流最高优先级。也可以通过设计带加权的优先级，保证更高优先级的端口优先进行传输。

仲裁模块的仲裁设计可以分为多种，一种是整个交换矩阵使用同一个仲裁单元，每个发送模块只使用一个请求信号及请求端口号连接到仲裁模块。这种设计对整个仲裁模块设计难度较大。另一种设计，如下图所示，即每个接收单元，配置一个仲裁模块，和一个交换模块。而每个发送模块根据要发送的端口，使用多个发送的请求信号。此种设计便于系统扩展，也可简化设计。



    不仅是用于高速多端口转发的数据流传输采用交换矩阵。现在，大多高速总线机制（如N主设备，M从设备之间进行数据的交换）也采用类似交换矩阵式的结构，每个从设备的连接都是多个主设备通过MUX来进行连接，这样保证多个主设备访问不同从设备时，可以实现并行的数据交换（如主设备M0访问从设备S1，主设备M1访问从设备S2，可以同时进行总线操作）。这是单一竞争式总线所不能达到的优势，但是，设计占用的逻辑量也会增加。性能的增加带来的负面影响通常就是逻辑的增加。

交换矩阵通常在基于数据包转发的FPGA设计应用中，交换矩阵的交换灵活性增加，也会增加设计复杂度，如果对于传输效率不需太多的需求，可以采用系统复用的方式（前文介绍），通过一个复用模块轮流接收各个发送端口的数据流，，再根据端口转发到各个从设备中，此种方式设计简单，但是此复用模块则会成为系统的瓶颈。根据系统的设计需求，选择适合的设计，达到性能和逻辑方面的平衡，是体现FPGA设计艺术之一。