CN1274224A - 流水线式共享存储器读写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流水线式共享存储器读写方法,包括:按交换网络的N个端口设置由N块存储器构成的信元共享存储器;将一个信元的所有数据分成N等份,将写入周期及读出周期也分成N个时隙;通过信元共享存储器数据总线的切换,将N个端口上信元的N份数据以类似流水线操作的方式写到对应的N片存储器中的相同地址块中,和将N份信元数据读出并从输出端口输出。可缩短交换网络延时,特别在端口数少时可显著降低系统规模及成本。
Description
本发明涉及一种ATM交换技术，更确切地说是涉及一种ATM交换结构中共享存储器读写控制的实现方法。
共享存储器结构的特点是：通过管理存储器的地址，间接实现对暂存在共享存储器中信元的管理，以保证信元在交换网络内部实现无阻塞交换。共享存储器结构以其低成本及交换容量方面的优势而成为ATM常用的交换结构。
图1示出传统的共享存储器的实现方法，包括串并转换与写控制单元101、共享存储器地址管理单元102、输出队列管理单元103、并串转换与读控制单元104和由N片存储器构成的信元共享存储器105。图中示出具有4个输入端口106和4个输出端口107的交换网络，108为空闲地址线，109为回收地址线，110为信元路由信息的输入线，114为信元地址线，111为信元地址，输出队列管理单元103框中的输出1至输出4分别为信元队列，在不同的信元队列中记录信元在信元共享存储器105中的对应地址，112及113均为信元宽的并行数据总线。
串并转换与写控制单元101中的串并转换模块将输入端口106输入的8或16比特宽信元流数据转换成并行格式，各输入端口106输入的信元(信元中白色框中的数字1、2、3、4表示信元路由标签，阴影框部分表示信元载荷)在固定的时隙，由串并转换与写控制单元101中的写控制模块按从共享存储器地址管理单元102读取的空闲地址一次写入共享缓存器中，同时将该地址按信元的路由标签写入输出队列管理单元103中的相应信元队列中，即在各信元队列中记录信元在共享存储器中的对应地址，实现信元的输出排队。并串转换与读控制单元104中的读控制模块则按一定顺序从输出队列管理单元103中读取各输出队列中的信元地址，并按此地址将信元从信元共享存储器105中读出，再由并串转换与读控制单元104中的并串转换模块将其转换成8或16比特宽的信元数据流，并从输出端口107输出。对于已读出信元所占用的地址经回收地址线109被回收到共享存储器地址管理单元102中。
信元共享存储器105中信元的写入与读出都是按时隙、以端口轮询的方式进行的。图1中，对应四个端口106将对信元共享存储器105的读写时序分为四个时隙。如在信元共享存储器105写入端，来自端口1、路由标签为2的信元占用时隙1，来自端口2、路由标签为4的信元占用时隙2，来自端口3、路由标签为1的信元占用时隙3，来自端口4、路由标签为3的信元占用时隙4等。输出队列管理单元103对应4个输出端口也有4组队列，队列中存放的是信元共享存储器105中各信元的地址。在信元数据输出时，也是每个端口对应一个时隙，如输出端口1占用时隙1，用于输出路由标签为1的信元数据；输出端口2占用时隙2，用于输出路由标签为2的信元数据；输出端口3占用时隙3，用于输出路由标签为3的信元数据；输出端口4占用时隙4，用于输出路由标签为4的信元数据。经过上述的存储转发过程，就可实现信元的无阻塞交换。
由对图1的分析可知，通常的共享存储器读写控制的实现方法是：先对输入的信元进行串并转换，将输入的8(或16)比特宽(输入数据的宽度以8或16比特为例，这是由现有的UTOPIA I和UTOPIA II接口标准来定的，实际应用中可能会有多或少的情况)串行数据流转变成并行数据流，若信元格式是53字节则转变的并行数据流为424比特宽(53×8)，若信元格式是64字节则转变的并行数据流为512比特宽(64×8)；再以此并行数据流作为信元共享存储器的读写操作对象，并行数据流被并行写入信元共享存储器中；各端口的信元数据以时分复用的方式出现在信元共享存储器的数据总线上。
在该方法中要求信元共享存储器的数据宽度必须与并行数据流的宽度相一致，如信元格式是53字节，串并转换后的并行数据流宽度是424比特，为了满足该宽度要求，即使使用36比特的最宽的存储器芯片，也要用12片(32×12＝432，大于424)。由于使用的存储器芯片数只与信元的格式有关(即与并行数据的宽度有关)，而与交换网络的规模无关(即与端口数无关)，因此无论是4×4的交换网络还是32×32的交换网络，只要采用53字节的信元格式，对36比特宽的存储器芯片来说都得选用12片存储器芯片，这对于小规模的交换网络明显是不经济的。同时，串并转换和并串转换都要对信元数据进行缓存，这要占用大量的逻辑资源，而且会引入系统延时。
本发明的目的是设计一种流水线式共享存储器读写方法，以减少串并转换和并串转换的逻辑资源占用量，缩短由串并转换和并串转换引入的系统延时，在交换网络的端口数较少时，十分有利于减少共享存储器的硬件规模。
本发明的目的是这样实现的：一种流水线式共享存储器读写方法，其特征在于包括：
a.在信元共享存储器的写入与读出两侧分别设置输入端数据线切换单元和输出端数据线切换单元，在输入端数据线切换单元与输出端数据线切换单元间设置共享存储器地址管理单元和输出队列管理单元；
b.按交换网络的输入、输出端口数设置信元共享存储器的块数、每一信元数据的切分份数和写入周期及读出周期的时隙数；
c.由输入端数据线切换单元，按时隙将一端口输入信元的各份数据顺序写入各块信元共享存储器中相应的地址块中；
d.由输入端数据线切换单元从共享存储器地址管理单元中读取空闲地址，将它分配给每一输入信元，并在输入信元的各份数据写入共享存储器块的同时，将其地址按信元头中的路由标签写入输出队列管理单元中相应的输出地址队列，进行信元的输出排队；
e.输出端数据线切换单元分时隙从输出队列管理单元的各输出地址队列中读取信元地址，并按此地址从各共享存储器块中读取各份信元数据，在读操作进行的同时，将这一信元地址回收到共享存储器地址管理单元中。
还设置有写时序生成单元及写时序延时单元、读时序生成单元及读时序延时单元；在对各块共享存储器进行读写操作时，只需分别产生第一块共享存储器的读、写时序，而后续各块共享存储器的读、写时序是通过相应的读时序延时单元和写时序延时单元对前一块共享存储器的读、写时序顺延一个时隙获得。
同一信元的各份数据顺序写入各块共享存储器中地址相同的块中。
有N个端口的交换网络，连接输入端数据线切换单元和输出端数据线切换单元的各块共享存储器的数据线宽度不超过信元总宽度的N分之一。
是根据每块共享存储器的数据线宽度，决定每份信元数据或者分多次写入各块共享存储器中，或经串并变换后一次写入各块共享存储器中。
所述的共享存储器地址管理单元和输出队列管理单元的基本管理对象是信元在各块共享存储器中对应的块地址。
所述的每一信元数据是按等分的方式切分的。
本发明流水线式共享存储器读写方法，对于交换网络的N个输入端口，信元共享存储器可由N块存储器构成，每块存储器与一个输入端口对应，N块存储器同时工作，完全可满足交换网络对数据吞吐量的要求。将一个信元的所有数据分成N等份(N完全取决于交换网络的输入、输出端口数)，通过共享存储器数据总线的切换，可将一个信元的N份数据以类似流水线操作的方式写到N块存储器中地址相同的块中(这N份数据在不同的存储器块中对应的地址是相同的)，和从N块存储器中地址相同的块中读出N份信元数据并从输出端口输出。每份数据在写入共享存储器块时，可以按输入的数据线宽度(如字节宽度)随来随写入共享存储器块中，也可以将每份数据经串并转换后一次或分多次写入共享存储器块中，写入的次数完全取决于每块共享存储器的数据线宽度，即芯片的数据线宽度。信元的管理通过管理共享存储器地址或块地址的方式来实现，如果每份信元数据是一次写入共享存储器的，则共享存储器地址管理单元和输出队列管理单元的基本管理对象-信元的对应地址映射到各块共享存储器中应是唯一的一个地址，如果是多次写入的，信元的对应地址映射到各块共享存储器中应是一个块地址，写入多少次，地址块中就包括多少个物理地址。
采用本发明的方法，可节省串并转换和并串转换占用的逻辑资源，而且在一小部分的信元数据写入信元共享存储器中后便可进行信元的读出操作，有效缩短了交换网络的系统延时；同时，由于构成信元共享存储器的芯片规模只与输入端口的个数有关，所以在交换网络的端口数较少时，可有效降低共享存储器的硬件规模，而且端口数越少，规模降低的越明显；由于对各片存储器的读写操作采用流水线方式，对各片存储器的读写控制信号都是相同的，只是时间上有先后差别，所以只要实现了对第一块存储器的读写控制，其余各块的读写控制信号只要将第一块存储器的读写控制信号按时隙加以延时即可，与现行的实现方法相比较，并没有增加控制复杂度。
因此，采用流水线式共享存储器读写方法，在实现端口数较少的交换网络时具有节省系统资源、缩短系统延时等优点，与现行的实现方法相比，在不增加系统控制复杂度的前提下，可有效降低共享存储器的硬件规模，提高交换网络的性能。
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。
图1是传统的共享存储器的实现方法示意图
图2是流水线式共享存储器的实现方法示意图
图3是流水线式共享存储器的读写实现方法示意图
图1说明前已述及，不再赘述。
参见图2，仍以4×4交换网络为例。由于流水线式共享存储器读写方式的实现是将一个信元分成N份，份数只与交换网络的规模有关，4×4交换网络具有4个端口就需要4片存储器芯片，每片存储器的宽度可以为字节宽度，对应图中的M＝8，这样信元数据就可以随来随写入信元共享存储器中。
流水线式共享存储器读写的实现，包括输入端数据线切换单元201、共享存储器地址管理单元202、输出队列管理单元203、输出端数据线切换单元204和由4片存储器构成的信元共享存储器205。4个输入端口206和4个输出端口207，208为空闲地址线，209为回收地址线，210为信元路由信息的输入线，215、214为信元地址输出线，211为信元地址，输出队列管理单元203框中的输出1至输出4分别为信元队列，在不同的信元队列中记录信元在信元共享存储器205中的对应地址，212及213表示N*M信元宽的并行数据总线(N表示端口数，M表示每块存储器的数据线宽度)均为信元宽的并行数据总线。图中，信元框中的数字框1、2、3、4表示信元路由标签，阴影框表示信元1的载荷，右斜线框表示信元2的载荷，左斜线框表示信元3的载荷，白色框表示信元4的载荷。
对应四个输入端口206和四个输出端口207，信元共享存储器205的读写操作分为四个时隙进行，输入的各信元均被分成四个部分，信元共享存储器205也分为四块，每一块信元共享存储器各存储一部分信元数据。
输入端数据线切换单元101从共享存储器地址管理单元202中读取空闲地址，并将它们分配给各输入信元，在各信元写入信元共享存储器205的同时，将信元的对应地址按信元头中的路由标签写入输出队列管理单元203中的相应信元队列，完成信元的输出排队。输出端数据线切换单元204按照输出队列管理单元203中各信元队列中的信元地址211，从信元共享存储器205中读取信元数据并送输出207，同时将已读出信元共享存储器205的信元地址通过回收地址线209回收到共享存储器地址管理单元202中。
信元共享存储器205的读写与通常的信元共享存储器的读写相似，也是按时隙对各端口进行轮询，所不同的是按存储器块分块进行，即每块存储器只写入或读出各信元数据的一部分(如1/4)，完成一个信元的读或写的操作需分四次进行。
下表中以读出操作比写操作延时1个时隙为例，示出4块存储器按时隙划分的读、写内容，表中存储器块的读出操作比写入操作要顺延一个时隙，这样在允许的情况下，写入的信元数据在下一时隙便可开始移出共享存储器，整个信元因存储转发的延时可减到很小(而按照传统的方法，则需要整个信元周期的时间，即需用4个时隙的时间进行输入信元数据的串并转换)，流水线式操作节约了3/4的存储转发时间，对于端口数更多的情况，时间节约的会更多。
| 存储器块1 | 存储器块2 | 存储器块3 | 存储器块4 | |||||
| 写入 | 读出 | 写入 | 读出 | 写入 | 读出 | 写入 | 读出 | |
| 时隙1 | 端口1 | 端口4 | 端口4 | 端口3 | 端口3 | 端口2 | 端口2 | 端口1 |
| 时隙2 | 端口2 | 端口1 | 端口1 | 端口4 | 端口4 | 端口3 | 端口3 | 端口2 |
| 时隙3 | 端口3 | 端口2 | 端口2 | 端口1 | 端口1 | 端口4 | 端口4 | 端口3 |
| 时隙4 | 端口4 | 端口3 | 端口3 | 端口2 | 端口2 | 端口1 | 端口1 | 端口4 |
由上表并结合图2可以看出：各块存储器的读写操作存在一定规律，若以其写入情况为例，对应4个端口，一个信元的写入周期被分成四个时隙，在时隙1，来自端口1、路由标签为2的信元1(阴影)的第一部分被写入存储器块1；在时隙2，来自端口1、路由标签为2的信元1(阴影)的第二部分被写入存储器块2；在时隙3，来自端口1、路由标签为2的信元1(阴影)的第三部分被写入存储器块3；在时隙4，来自端口1、路由标签为2的信元1(阴影)的第四部分被写入存储器块4…。即在时隙1至时隙4，输入端口1的4份信元数据被分别写到存储器块1至4中；在时隙2至时隙1，输入端口2的4份信元数据被分别写到存储器块1至4中；在时隙3至时隙2，输入端口3的4份信元数据被分别写到存储器块1至4中；在时隙4至时隙3，输入端口4的4份信元数据被分别写到存储器块1至4中。由此可见，对于同一信元的不同部分是分别写到不同存储器块的相同地址块中，地址与信元的一一对应关系是不变的。同时，对存储器块2来说，它重复的是存储器块1前一个时隙的操作(即地址总线、数据总线及控制信号完全相同)，而存储器块3重复的是存储器块2前一个时隙的操作，存储器块4重复的是存储器块3前一个时隙的操作。因此，对四块存储器的操作可简化为对存储器块1的操作，其余各块则是存储器块1操作的延时。这样做的优点是可以做到输入信元数据的随来随写，而不必等信元的所有数据都到齐后再写，就可省去大量的数据缓存逻辑资源和串并及并串转换部分的逻辑资源占用。
信元的读出过程是写入过程的逆过程，操作与写入同理。
实施时，为了降低存储器的读写速度，也可以对输入的信元数据先进行小的串并转换，凑到一片存储器的宽度后再一次写入存储器中，如图中的M＝P×8，P为一次写入的字节数。
参见图3，图中示出8×8交换网络的读写控制。8个输入端口301及8个输出端口302分别输入、输出8路信元A、B、C、D、E、F、G、H，信元共享存储器303与8个端口对应，由8块存储器1至8组成，共分8个时隙对信元共享存储器303进行读写操作。信元共享存储器303中的空闲地址存放在空闲地址FIFO 304中，而各端口的输出地址则存放在输出地址FIFO 311中。写时序生成模块305和读时序生成模块310分别产生存储器块1的写时序和读时序，再分别由写时序线306及读时序线308送存储器块1。各延时模块307及309以时隙为单位对写时序、读时序进行延时，并将延时信号依次送入其余存储器块2至8中。各端口输入的信元数据分成8部分，按时间顺序分别写到8块存储器块303中，各存储器块1至8中相同地址区域内存放的来自同一个信元的数据。如图中，各存储器块中标有A的地址块存储的是来自端口A的信元数据，标有B的地址块存储的是来自端口B的信元数据，依次类推。
一信元写入时，先由写时序生成模块305产生存储器块1的写时序，将该信元的第一部分数据写入存储器块1中；下一个时隙，该信元的第二部分数据按照延时模块307延时后的写时序写入存储器块2，后续过程可依次类推，直至向存储器块8中写入最后一部分信元数据。
信元输出时，也按同样过程，从存储器块1到存储器块8的顺序，从各存储器块中读取信元数据并输出，读取过程与写入过程相似。
图3中，每个信元在每片存储器中只缓存了一部分数据，这部分数据可以占用若干个地址，而形成一个小的地址块，输出队列管理单元和共享存储器地址管理单元的基本管理对象就是这些块地址，使流水线式和普通的共享存储器信元管理方式保持一致，即都是通过管理信元的地址来实现间接管理的。
从对图2、图3的说明可以理解，本发明方法中所使用的存储器芯片个数只与交换网络的端口数有关，在端口数很小时，共享存储器的规模可以做得很小，这有利于降低成本；其信元数据是随来随写的，从理论上讲，只要写入了一个字节，这个信元的数据就可以被读出了，从而缩短了信元在交换网络内的延时，有利于提高交换网络的性能；再次为了保证地址空间的一致性，信元在各块存储器内是缓存在同一地址区域内，只要完成了对一块存储器的读写操作，其余各块的读写控制就只是第一块读写操作的延时。
本发明的流水线式共享存储器读写方法，不仅适用于ATM交换网络，还适用于所有定长分组交换的交换网络。
Claims (7)
1.一种流水线式共享存储器读写方法，其特征在于包括：
a.在信元共享存储器的写入与读出两侧分别设置输入端数据线切换单元和输出端数据线切换单元，在输入端数据线切换单元与输出端数据线切换单元间设置共享存储器地址管理单元和输出队列管理单元；
b.按交换网络的输入、输出端口数设置信元共享存储器的块数、每一信元数据的切分份数和写入周期及读出周期的时隙数；
c.由输入端数据线切换单元，按时隙将一端口输入信元的各份数据顺序写入各块信元共享存储器中相应的地址块中；
d.由输入端数据线切换单元从共享存储器地址管理单元中读取空闲地址，将它分配给每一输入信元，并在输入信元的各份数据写入共享存储器块的同时，将其地址按信元头中的路由标签写入输出队列管理单元中相应的输出地址队列，进行信元的输出排队；
e.输出端数据线切换单元分时隙从输出队列管理单元的各输出地址队列中读取信元地址，并按此地址从各共享存储器块中读取各份信元数据，在读操作进行的同时，将这一信元地址回收到共享存储器地址管理单元中。
2.根据权利要求1所述的流水线式共享存储器读写方法，其特征在于：还设置有写时序生成单元及写时序延时单元、读时序生成单元及读时序延时单元；在对各块共享存储器进行读写操作时，只需分别产生第一块共享存储器的读、写时序，而后续各块共享存储器的读、写时序是通过相应的读时序延时单元和写时序延时单元对前一块共享存储器的读、写时序顺延一个时隙获得。
3.根据权利要求1或2所述的流水线式共享存储器读写方法，其特征在于：同一信元的各份数据顺序写入各块共享存储器中地址相同的块中。
4.根据权利要求1或2所述的流水线式共享存储器读写方法，其特征在于：有N个端口的交换网络，连接输入端数据线切换单元和输出端数据线切换单元的各块共享存储器的数据线宽度不超过信元总宽度的N分之一。
5.根据权利要求1或2所述的流水线式共享存储器读写方法，其特征在于：是根据每块共享存储器的数据线宽度，决定每份信元数据或者分多次写入各块共享存储器中，或经串并变换后一次写入各块共享存储器中。
6.根据权利要求1或2所述的流水线式共享存储器读写方法，其特征在于：所述的共享存储器地址管理单元和输出队列管理单元的基本管理对象是信元在各块共享存储器中对应的块地址。
7.根据权利要求1所述的流水线式共享存储器读写方法，其特征在于：所述的每一信元数据是按等分的方式切分的。
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