CN103117962A

CN103117962A - 一种星载共享存储交换装置

Info

Publication number: CN103117962A
Application number: CN2013100259079A
Authority: CN
Inventors: 秦勇; 范继; 刘晓旭; 马伟
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103117962B

Abstract

本发明公开了一种星载共享存储交换装置，包括入线处理单元、多个存储器、和出线处理单元；入线处理单元包括多个接口处理模块、多个分组处理模块、地址列表管理模块、并行写入控制模块、和复用模块；出线处理单元包括解复用模块、并行读取控制模块、多个输出缓存模块和多个发送模块；每个输入端口对应一个接口处理模块、一个分组处理模块和一个存储器；每个输出端口对应一个输出缓存模块和一个发送模块；输入端口、输出端口的数量与端口存储器的数量相同。本发明能够有效降低对存储器的存取速率和容量要求，满足高速大容量星载路由交换机研制要求。

Description

一种星载共享存储交换装置

技术领域

本发明涉及一种星载共享存储交换装置，属于通信设备交换技术，特别是一种星载交换技术领域。

背景技术

交换结构(Switch Fabric)是指交换系统中用于将分组在不同的端口之间进行转发的开关，它是交换系统中最核心的部件，是完成交换过程物理上的执行单元。

交换结构按内部结构划分可以划分为时分交换结构和空分交换结构。其中共享存储交换装置是常用的时分交换结构。

共享存储交换在原理上是一种最简单却最具应用性的交换结构。数据分组从一个端口到另一个端口，先缓存到一个公共的存储区，当数据量较大时，通过排队的方式等待从另一个端口发送到介质。使用共享存储结构的芯片在几十吉比特量级的芯片中占相当大比例，因此共享存储交换结构一直受到广泛的研究。

现有共享存储交换装置如图1所示，由入线单元、共享存储器、和出线单元组成。入线单元将N个输入端口的信元汇聚为一路高速数据流写入共享存储器；出线单元从共享存储器中高速读取信元，并根据信元输出端口信息将其发送到相应的输出端口。所有入线和出线共用该共享存储器。所有入线上的全部输入信元都直接存于中央队列，每条出线将从该队列中选择以自己为目的的信元，并按照先进先出（FIFO）的原则读取这些信元。

共享存储交换装置具有最高的存储器利用率，相同条件下可以大幅度降低信元丢失率。但是，由于存储器的带宽与输入、输出端口数成正比，在一个信元时隙内，对于一个N*N 的共享缓存交换，中央队列（共享存储器）必须能够在一个信元周期内执行N次写入和N次读出。这样对大规模的交换机来说，存储器的访问时间就成了整个交换机的性能瓶颈，而且随存储器存取速度要求的提高，存储器的成本呈指数型增长；而对于宇航级器件更是难以实现高速存取要求。

对于高速大容量星载路由交换机，如果采用传统的共享存储交换装置实现，对于存储器件的能力要求很高，受到存储器的读写速率限制。综合考虑存储器件的读写速率、交换容量需求、数字处理器件能力，现有共享存储交换装置很难满足高速大容量星载路由交换机研制要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种星载共享存储交换装置，能够有效降低对存储器的存取速率和容量要求，满足高速大容量星载路由交换机研制要求。

一种星载共享存储交换装置，包括入线处理单元、多个存储器、和出线处理单元；入线处理单元包括多个接口处理模块、多个分组处理模块、地址列表管理模块、并行写入控制模块、和复用模块；出线处理单元包括解复用模块、并行读取控制模块、多个输出缓存模块和多个发送模块；每个输入端口对应一个接口处理模块、一个分组处理模块和一个存储器；每个输出端口对应一个输出缓存模块和一个发送模块；输入端口、输出端口的数量与存储器的数量相同。

每个接口处理模块接收和缓存通过与其对应的输入端口输入的分组；并将分组发送至与该接口处理模块对应的分组处理模块；

每个分组处理模块接收与其对应的接口处理模块发送的分组，向地址列表管理模块发送存储地址分配请求并接收地址列表管理模块分配的地址，向并行写入控制模块发送分组及存储地址；同时，为每个分组生成一个分组描述符并发送至复用模块；该分组描述符记录了交换过程所需要的基本信息，所述基本信息包括分组长度、存储器编号及存储地址、输出端口和优先级；

地址列表管理模块为每个存储器建立可用地址列表；并根据每个分组处理模块发送的存储地址分配请求分配与其对应的存储器的可用地址，并将分配的地址从可用地址列表中删除；根据并行读取控制模块发送的地址释放信息，将释放的地址加入到可用地址列表中；

并行写入控制模块根据分组处理模块提供的存储地址，将每个分组处理模块输出的分组写入与每个分组处理模块对应的存储器；

复用模块将多个分组处理模块输出的分组描述符进行多路复用，形成一路数据流并发送至解复用模块；

解复用模块接收复用模块发送的数据流，并根据分组描述符记录的输出端口信息，将分组描述符写入与该分组描述符对应的输出缓存模块；

每个输出缓存模块缓存接收的分组描述符并将其发送至与该输出缓存模块对应的发送模块；

每个发送模块根据输出缓存模块输出的分组描述符获得分组所在的存储器编号及其存储地址，向并行读取控制模块发送该存储器编号的存储地址的数据读取请求，将读取控制模块从存储器读取的数据分组进行速率适配并输出至输出端口；

并行读取控制模块根据多个发送模块发送的存储器编号及存储地址，从存储器中读取分组；并行读取控制模块每完成一个存储地址的读取操作，向地址列表管理模块发送该存储地址的释放信息。

如果多个发送模块同时请求从同一个存储器中读取数据分组，或者并行写入控制模块正在对存储器进行写操作，并行读取控制模块能够进行冲突仲裁，保证对存储器读写的有序正确。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明采用多个并行存储器取代中央存储器，即采用并行输入缓存方式取代中央缓存方式，同时采用并行读取控制取代原来出线单元的串行读取方式，存储器的读写速率由原来的2N倍端口速率，降低为2倍端口速率。

本发明在多个并行存储器中缓存分组数据，同时采用多个输出缓存模块实现分组描述符的缓存，有效降低存储容量需求，适合应用于星载交换装置。

本发明有效降低了对存储器的存取速率要求，且不随交换规模（端口数量）增加而增大，扩展性强。另外，由于采用了并行输入缓存，并行输入存储器中任何一个失效不影响其他端口，可靠性高。

附图说明

图1为现有的共享存储交换装置示意图。

图2为本发明的星载共享存储交换装置组成示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的星载共享存储交换装置包括入线处理单元、多个存储器、和出线处理单元；入线处理单元包括多个接口处理模块、多个分组处理模块、地址列表管理模块、并行写入控制模块、和复用模块；出线处理单元包括解复用模块、并行读取控制模块、多个输出缓存模块和多个发送模块；每个输入端口对应一个接口处理模块、一个分组处理模块和一个存储器；每个输出端口对应一个输出缓存模块和一个发送模块；输入端口、输出端口的数量与存储器的数量相同。上述入线处理单元可以通过一个FPGA芯片实现。上述出线处理单元可以通过另一个FPGA芯片实现。

（1）接口处理模块

接口处理模块仅需完成分组接收、缓冲功能。

（2）分组处理模块

该模块接收新的分组，向地址列表管理模块申请存储器可用存储地址，将分组以及所申请到的可用存储地址发送给并行写入控制模块；同时，根据分组输出端口、存储地址等信息生成分组描述符，该分组描述符记录了在内部交换过程中所需要的基本信息，包括分组长度、存储器编号及存储地址、输出端口、优先级、单播/组播等信息。

（3）地址列表管理模块

记录每个存储器可用（或已使用）的存储空间地址。当接收到分组处理模块的地址分配请求时，为其分配存储器可用的地址，并将该地址从可用地址列表中删除；当接收到并行读取控制模块的地址释放信息，将该地址加入到可用地址列表中，更新可用地址列表。

（4）并行写入控制模块

根据分组处理模块选择的地址，将各端口接收的分组分别写入对应的存储器。

（5）复用模块

将各端口接收分组的描述符进行多路复用，形成一路数据流便于在片间传输。

（6）解复用模块

根据分组描述符的输出端口信息，将分组描述符分别写入各输出缓存模块。

（7）输出缓存模块

每个输出缓存模块对应一个输出端口。

（8）发送模块

根据输出缓存模块中分组描述符，发送模块获得分组在存储器的存储地址，并向并行读取控制模块发送该地址的数据读取请求。并将读取控制模块存储器读取的数据分组进行速率适配和发送。

（9）并行读取控制模块

读取控制模块需能够按照每个发送模块请求的存储器及存储地址，同时从不同端口存储器中读取数据分组。如果两个或两个以上发送模块同时请求从同一个存储器中读取数据分组，或者并行写入控制模块正在对存储器进行写操作，则并行读取控制模块进行冲突仲裁，保证对存储器读写的有序正确。

读取控制模块每完成一个存储地址的读取操作，向地址列表管理模块发送该存储地址的释放信息，地址列表管理模块将该地址加入到可用地址列表中，以供接收的新分组在存储器中存储使用。

利用本发明的共享存储交换装置进行交换的工作过程如下：

步骤1：由接口处理模块完成分组（定长）的接收、缓存处理，并将接收的分组发送至分组处理模块。

步骤2：将已接收的分组写入各端口对应的独立存储器，具体步骤如下：

步骤2-1：由各端口对应的分组处理模块向地址列表管理模块发送存储器可用存储地址请求；

步骤2-2：地址列表管理模块从所记录的该分组处理模块对应的端口存储器的可用存储空间地址中，为该地址请求分配一个存储地址，并将该地址从可用地址列表中删除，比如为端口1接收的分组a所分配的存储地址为：端口1存储器中的地址Addr1，为端口2接收的分组b所分配的存储地址为：端口2存储器中的地址Addr1；

步骤2-3：并行写入控制模块根据分配给分组处理模块的地址，将各端口分组处理模块接收的分组分别写入对应的存储器，比如分组a写入端口1存储器中的地址Addr1，分组b写入端口2存储器中的地址Addr1；

步骤2-4：分组处理模块为每个分组生成一个分组描述符并发送给复用模块，该描述符记录了该分组的基本信息，包括分组长度、在端口存储器中的存储地址、输出端口、优先级、单播/组播等信息。

步骤3：复用模块将各端口接收分组的描述符进行多路复用，形成一路数据流传递给解复用模块处理。

步骤4：解复用模块根据分组描述符所指示的输出端口信息，将分组描述符分别写入各输出端口对应的输出缓存模块，排队等待处理。

步骤5：完成分组输出处理功能，具体步骤如下：

步骤5-1：发送模块从对应的输出缓存模块读取分组描述符，并从分组描述符提取分组所在存储器的存储地址，向并行读取控制模块发送该地址的数据读取请求，等待从存储器读取数据分组；

步骤5-2：并行读取控制模块按照每个发送模块请求的存储器编号及存储地址，同时从不同端口存储器中读取数据分组。如果两个或两个以上发送模块同时请求从同一个存储器中读取数据分组，或者并行写入控制模块正在对存储器进行写操作，则并行读取控制模块进行冲突仲裁，保证对存储器读写的有序正确；

步骤5-3：并行读取控制模块每完成一个存储地址的读取操作，向地址列表管理模块发送该存储地址的释放信息，地址列表管理模块将该地址加入到可用地址列表中，以供接收的新分组在存储器中存储使用；

步骤5-4：发送模块将并行读取控制模块反馈的数据分组进行速率适配和发送，完成分组交换功能。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种星载共享存储交换装置，其特征在于，包括入线处理单元、多个存储器、和出线处理单元；入线处理单元包括多个接口处理模块、多个分组处理模块、地址列表管理模块、并行写入控制模块、和复用模块；出线处理单元包括解复用模块、并行读取控制模块、多个输出缓存模块和多个发送模块；每个输入端口对应一个接口处理模块、一个分组处理模块和一个存储器；每个输出端口对应一个输出缓存模块和一个发送模块；输入端口、输出端口的数量与存储器的数量相同。

2.根据权利要求1所述的一种星载共享存储交换装置，其特征在于，

3. 根据权利要求1或2所述的星载共享存储交换装置，其特征在于：如果多个发送模块同时请求从同一个存储器中读取数据分组，或者并行写入控制模块正在对存储器进行写操作，并行读取控制模块能够进行冲突仲裁，保证对存储器读写的有序正确。