CN108616570B - 一种基于fpga非对称门限服务轮询系统 - Google Patents

一种基于fpga非对称门限服务轮询系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非对称门限服务轮询系统的FPGA实现，属无线传感器网络通信领域。采用原理图与文本输入相结合的方法对系统进行自上而下的设计，利用FPGA内置异步fifo软核对各站点所接收到的具有泊松分布特性的信息分组进行缓存与发送，并借助于分频技术进行速度匹配、实现fifo存储器读与写的独立时钟控制，满足服务器在处理不同的业务时在处理速率方面的要求；设计采用门限规则对各站点提供服务，有效克服完全规则下的站点“忙碌”与“饥饿”问题、解决限定规则下的相位频繁切换问题，利用Verilog HDL语言进行有限状态机设置，控制各站点之间具有不同的转换时间，保证站点之间服务的公平性。本发明控制灵活、开发周期短，可广泛应用于多样性业务处理场合。

Description

一种基于FPGA非对称门限服务轮询系统
技术领域
本发明涉及一种非对称门限服务轮询系统的FPGA实现，属于无线传感器网络通信领域。
背景技术
现今社会不断向数字化方向转型，云计算、大数据、深度学习等实现万物智能互联的技术蔚然成风，基于异构的FPGA技术在其海量数据处理、网络加速方面得到广泛应用。
FPGA是用Verilog等硬件语言描述可综合成实际电路的组合逻辑、时序逻辑、状态机逻辑和复杂数字系统的半定制电路，兼具ASIC和处理器系统的优势，并行计算能力强、响应速度快、开发周期短、控制灵活、性能稳定功耗低，成为搭建复杂应用系统底层硬件环境的首选。
轮询技术基于点协调功能为各通信终端提供无竞争接入网络的机会，使其接入信道后能够利用全部带宽资源进行无线通信，广泛应用与工业、农业、军事、医疗等领域。信息时代的发展促进了多业务系统的应用，服务器在处理不同业务时具有不同的QoS特性，这就对轮询系统的适用性提出了更高的要求。传统轮询技术日益成熟，但其局限在于该技术各通信终端信息到达率、服务时间以及相邻终端间转换时间皆相同，大大限制了该技术的使用范围。研究非对称轮询系统对研究多业务处理过程具有重要的理论意义与研究价值。
轮询系统的性能与调度策略有着重要关系，基本的服务规则有完全、门限、限定三种。这三种服务策略各有特点，同样条件下，完全服务具有最好的时延特性，限定服务具有最好的公平特性，在多业务处理系统中，要尽量避免服务器长时间为某一站点服务，或频繁的切换服务站点造成较大的时延，门限服务策略在时延与控制灵活性方面性能居中，适用于多业务处理场合。
发明内容
本发明针对服务器在多业务系统中处理性能方面的差异性问题，提出一种基于FPGA非对称门限服务轮询系统的设计，设置不同的服务时间和转换时间，并使用门限调度策略完成服务器对各站点信息分组的发送工作。
本发明工作机理：一个简单的轮询过程可以表述为各站点信息分组到达过程、信息分组服务过程以及相邻站点轮询转换过程，设计采用原理图自上而下把整个系统划分为信源模块、站点模块、控制模块、接收模块四个部分进行设计，通过布局布线使之互联通信，其主要内容有：
利用分频技术提供了单位时隙产生多个信息分组、单位信息分组跨多个时隙发送的解决方案；
结合dcfifo技术给出各站点信息分组缓存与发送过程中的速度匹配方法。
利用边缘检测与计数器原理给出门限服务策略的实现方法。
各站点dcfifo缓存、发送信息分组过程中要设计有保护电路，防止其上溢或者下溢。设计中利用文本输入的方法根据fifo写入输出端的容量信号与门限控制信号进行综合控制，提供了一种防止fifo读空时继续读出的下溢保护方案。
本发明提供一种服务器控制媒体接入网络的轮询控制方案，在时序电路基础上充分结合计数器原理与有限状态机设置方法对中央控制器的控制策略进行设计，实现站点服务过程与相邻站点转换过程的独立控制，满足系统服务时间与转换时间的非对称特性。
本发明引入了一种智能筛选、存储有效信息的滤波方案，减小信息冗余。
本发明结合系统单跳通信的特点实现各站点发送数据的融合。
本发明利用同步技术使接收模块从融合后的总线数据中正确恢复出各站点的发送信息。
本发明采用门限规则对各站点提供服务，有效克服完全规则下的站点“忙碌”与“饥饿”问题、解决限定规则下的相位频繁切换问题，利用Verilog HDL语言进行有限状态机设置，控制各站点之间具有不同的转换时间，保证了站点之间服务的公平性。此发明控制灵活、开发周期短，可广泛应用于多样性业务处理场合，也可用于云计算等数据处理领域实现网络加速。
附图说明
图1为本发明的工作原理图。
图2为本发明的设计框架图。
图3为本发明的信源模块电路图。
图4为本发明的部分MIF文件表。
图5为本发明的站点dcfifo配置图。
图6为本发明的站点模块设计图。
图7为本发明的状态转移图。
图8为本发明的数据融合电路图。
图9为本发明的控制模块.bsf图。
图10为本发明的功能仿真图。
具体实施方式
本发明采用原理图与文本输入相结合的方法对系统进行自上而下的设计，利用FPGA内置异步fifo软核对各站点所接收到的具有泊松分布特性的信息分组进行缓存与发送，并借助于分频技术进行速度匹配、实现fifo存储器读与写的独立时钟控制，满足服务器在处理不同的业务时在处理速率方面的要求。
下面结合附图与本发明的技术特征，对此服务轮询系统具体实施方式分为四个模块进行说明：
1信源模块
信源模块产生满足马尔可夫特性的泊松分布数据，泊松到达率λ表示平均每单位时隙产生信息分组的个数，取值为整数，在设计中设置λ1＝0.02，λ2＝0.05，λ3＝0.1，λ4＝0.01，考虑到在FPGA时序电路中实现此功能的复杂性，巧妙利用MATLAB工具产生相应到达率的泊松分布序列文档并将其格式由.txt转换为.mif，并基于自加1计数器原理进行地址译码电路设计，使得RAM软核能够逐一读取.mif文档中的数据，该数据即为单位时隙产生信息分组的个数，多次实验发现此值最大为3，因此对时钟进行4分频，再次基于计数原理根据读取到的数据进行相应的映射转换，设计中产生信息分组位宽统一设置为8位，取值为10100110。该部分电路图见图3，其中ps为地址译码电路，st为映射转换电路。
2站点模块
站点模块完成对信源模块产生信息分组的缓存与发送，考虑到系统控制模块需要对各站点工作状态进行访问，因此该部分主要采用fifo存储器进行硬件实现，fifo软核配置时设置其工作模式为异步时钟独立控制方式，读写位宽设置为相同，写输出端口为usedw，读输出端口为empty。单个站点模块的电路设计如图5所示，图中dn表示站点n信源部分产生的信息分组，混合着有效与无效的数据，经过comparator滤波器后剔除无效信息减小信息冗余度，dcfifo结合滤波器及时缓存有效信息分组。站点模块通过门限控制器countoutn确保服务器对该站点提供门限服务。其中rdreq为dcfifo下溢保护电路，防止dcfifo为空时继续读出数据，造成控制器错误决策。dcfifo读数据端根据设计中设置的服务时间接入相应的分频时钟信号，在rdreq输出读使能信号为高电平时，按照先到先服务的顺序依次把所存储的信息分组发送至总线上。
2.1滤波器电路comparator
信源模块部分产生的有效信息分组数值为10100110，其无效信息数值为0，将站点接收的混合信息分组与0进行比较，在判断其输出数值非0时其输出PEQ高电平信号，反之则为低电平，通过将此输出信号与dcfifo写使能信号相连，有效滤除无效信息。
2.2门限控制器countout
该电路通过对该站点的服务信号进行边缘检测，及时在存储该站点在获得服务权限时已经存储的信息分组个数，同时启动输出计数器，以服务时间为间隔对输出的信息分组个数进行计数，当输出信息分组的个数与所存储的信息分组的个数相等时说明该站点的目标信息分组发送完成，此次门限服务结束，其继续服务信号cr由高电平变为低电平。
2.3下溢保护电路rdreq
dcfifo在存储或者发送数据时易上溢或下溢，需要一定的保护电路防止此现象发生，方能正确读取数据、正确控制服务器按照预设规则进行资源分配。设计中各站点泊松分布到达率较低，不会写满dcfifo，但当fifo读空时，若读使能信号依然有效，会导致fifo下溢，容量显示信号居高不下，令控制器错误以为该站点忙碌导致相位滞留，因此设计中需要对下溢保护电路进行设计。设计中采用对服务信号进行边缘检测、保证该站点开始服务时其存储容量非空的思路进行设计。
2.4数据融合
轮询系统基于点协调功能与各站点单跳通信，各站点无竞争性逐一接入信道，当前服务站点发送有效数据，其他站点则等待发送，其输出数据为0，同时设计中各站点发送的信息分组具有相同的位宽，因此此部分各站点发送的信息分组数据融合只需要把各站点输出数据经过一个四输入或门电路即可实现。
3控制模块
控制模块是对各站点服务过程与站点之间转换过程的控制，它决定了服务器何时开始为站点进行服务、何时结束服务，同时控制服务器经过不同的转换时间进行相邻站点的查询访问。设计中利用有限状态机设置了4各站点服务状态与4个站点间转换状态，当前站点转向下一站点的转换过程结束时，服务器根据下一站点的写输出wruse信号判断此时fifo是否为空，其数值非0说明该站点有待发送信息，授予该站点信道使用权限，无则跳过该站点服务状态，直接进入下一转换过程。站点服务过程中还需要根据站点模块门限控制器输出的继续服务控制信号决定其服务信号是否继续有效，当接收到cr信号为低电平，说明其门限服务结束，服务器经过一定的转换时间查询下一站点，cr为高电平则继续发送该站点的数据。设计中有4个站点，其服务时间与转换时间分别为β1＝4，β2＝2，β3＝1，β4＝2，γ1＝2，γ2＝1，γ3＝3，γ4＝4。
4接收模块
接收模块利用控制模块的服务使能信号进行各站点数据信息的恢复，由于各站点向总线传输数据信息受控制模块的服务信号控制，所以在接收端用同样的控制顺序信号作为同步Ffifo写使能信号便可从总线数据中正确恢复出各站点的数据信息。
表1设计参数值
站点 泊松到达率 服务时间 转换时间
1 0.02 4 2
2 0.05 2 1
3 0.1 1 3
4 0.01 2 4
表2系统性能参数统计值与理论值对比
Figure BDA0001608664760000081
Figure BDA0001608664760000091
在图10中：cp信号是转换时间信号，由仿真图可得三个转换信号所占时隙分别为2,1,3,4，与设定值相符；s为站点服务信号，各站点发送单位信息分组所占时隙分别为4,2,1,2，与设定值相符；cp信号与s信号无冲突为高电平，验证了设计状态转移的正确性；获得服务权限的站点发送完开始服务是存储的信息分组后，cr信号置低，服务器进入转换时间，与设计门限服务策略要求一致。

Claims (5)

1.一种基于FPGA非对称门限服务轮询系统，其特征在于：服务轮询系统由一个服务器与N个站点各自独立连接组成，各站点所产生的信息分组服从指定到达率的泊松分布，每个站点之间信息分组到达率不同；服务器按照门限规则进行轮询、服务，依次提供各待服务站点信道访问权限，获得发送权的站点即使用网络中全部带宽资源发送数据；一个站点服务结束后，服务器经过一定的转换时间后查询服务下一站点，各站点之间的转换时间不一致；各队列的参数变量服从相同的分布,但是各变量不具备对称性；
所述各站点对单位信息分组的发送时间具有非对称特性；
所述服务轮询系统中各个站点信源部分产生的泊松分布数据具有不同的到达率；
所述服务轮询系统中服务器按1,2，…N的顺序依次查询各站点工作状态，对非空站点进行门限服务，否则直接经过相应的转换时间查询下一站点，查询或服务完普通站点N后返回站点1，周而复始；
所述门限服务是指系统只发送各站点获得服务权限时已存储的信息分组，发送结束即完成本次服务，查询下一站点，服务过程中到达的信息分组则自动转为下一轮询周期进行发送；
所述服务轮询系统中到达各站点的信息分组按照先到先服务的规则进行发送；
所述服务轮询系统中服务器对不同站点单位信息分组的发送时间不同,即β1≠β2≠…≠βN；
所述服务轮询系统中各个站点信源部分产生的泊松分布数据具有不同的到达率，即λ1≠λ2≠…≠λN；
所述服务轮询系统中服务器访问两相邻站点间的转换时间不同,即γ1≠γ2≠…≠γN。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA非对称门限服务轮询系统，其特征在于：所述服务轮询系统各站点应具有信息分组的缓存功能，同时应对各站点信息分组缓存、发送的速度大小进行匹配。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA非对称门限服务轮询系统，其特征在于：所述服务轮询系统各站点使用dcfifo进行功能实现；服务器查询各站点的工作状态、根据各站点存储容量进行正确决策，防止dcfifo上溢或者下溢。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA非对称门限服务轮询系统，其特征在于：所述服务轮询系统利用分频技术解决时序电路中单个时隙产生多个信息分组问题，以及单位信息分组发送占据多个时隙的问题。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA非对称门限服务轮询系统，其特征在于：所述服务轮询系统通过设置有限状态机实现对各站点服务过程与相邻站点间转换过程的控制；当前站点转向下一站点的转换过程结束时，服务器判断下一站点是否有待发送信息分组，有则提供发送权，无则跳过该站点服务状态，直接进入下一转换过程。
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