基于FPGA和IP Core的定制缓冲管理的实现

在PRAM中存在两种链表形式，PQ List代表已经存储的数据包链表。为方便数据读出，PQ List需要记录数据包的第一个数据块地址，即首指针Pq_Hptr，为方便新的数据写入，PQ List需要记录数据包的最后一个数据块地址，即尾指针Pq_Tptr。PQ List同时需要记录该链表的长度作为调度模块进行调度的权值计算使用。

Free List代表空闲的地址队列。为方便地辨识、管理空闲的地址，避免地址冲突，在BM中将所有空闲的地址使用一个链表进行管理。这个链表就是空闲地址队列。空闲地址队列依据系统需求的不同有着不同的形式，一般空闲地址队列的构成和PQ List相似，由空闲地址首指针Free_Hptr和空闲地址尾指针Free_Tptr构成。BM模块的所有操作都围绕着空闲的地址队列Free List进行。

基于BM模块的数据流结构，BM模块一般分为Write Control模块、Free List control模块、Read Control模块、PRAM Control模块、BRAM Control模块。BM的结构如图3所示。

图3 BM结构图

Write Control模块从Free List模块处得到空闲地址，向BRAM Control模块提出写请求，同时更新PRAM中的内容。Free List control模块负责管理空闲地址列表，提供Write Control模块的写BRAM地址及PRAM地址，回收经Read Control模块读出数据块后释放的地址。Read Control模块根据调度器的调度结果，通过BRAM Control模块读出需要发送的数据单元，同时将释放的缓冲单元地址写入空闲地址列表。PRAM Control模块为外部SSRAM的控制模块，可直接使用参考设计完成。BRAM Control模块为外部DRAM控制模块，一般分为Datapath与Controler两个子模块。Datapath模块专门负责数据接口部分，完成DRAM接口的DQ、DQS处理以及相应的延时调整，Controler模块负责完成DRAM的控制需求。

在BM模块中，BRAM的带宽与PRAM的带宽一般为TM的瓶颈。PRAM的带宽主要受限于访问的次数，而BRAM的带宽受限于接口带宽。例如对于一个10G的TM，BRAM的有效带宽必须保证20G，以接口利用率最差只能达到65%计算(考虑SEG模块切分信元出现的N+1问题)，需要保证接口带宽达到30G。使用64位的DRAM接口，接口速率不能低于500MB/s，这样对Datapath模块的设计提出了更高的要求。在实际系统中，BRAM主要使用DDR SDRAM、DDR II SDRAM。

当使用Stratix II FPGA，BRAM使用DDR II SDRAM时，测试表明DDR II SDRAM接口速率可达到800MB/s。在常规使用的情况下，DDR II SDRAM接口速率可保证达到667MB/s。对于一个64位的DRAM接口，接口速率可达到42.7GB/s，完全可以满足一个10G的TM系统。

BM模块作为缓冲管理模块，缓冲的基本单元为BCELL，基于对BCELL的管理，对于BM的操作都牵涉到空闲地址队列的操作以及链表的操作。最基本的操作就是写入操作和读出操作。BM模块的写入操作由Write Control模块发起。

对于Write Control模块，有数据单元需要写入，首先向Free List模块申请空闲地址，Free List将首指针a给Write Control模块，作为该数据块的写地址，同时读出首指针a对应在PRAM中的内容，得到下一跳地址b，将下一跳地址b作为新的空闲地址首指针。

PQ List将尾指针n更新为新写入的地址a，同时更新PRAM中n地址的内容，将a作为下一跳添入n地址。基于节省操作周期，NULL的内容保留原值，不再更新。这样，一次BRAM的写入操作需要一次PRAM的读取操作及一次PRAM的写入操作。

QM模块接收调度模块的出队信息，将出队的PQ链表信息传送给BM模块进行读取操作。

图4 BM模块的写入操作

图5 读出操作的Free List堆栈结构

BM模块的读取操作由Read Control模块发起完成，当有数据单元需要读出，相应的数据单元地址则需要回收进入空闲地址队列Free List。对于不同的系统需求，空闲地址队列Free List有不同的形式。比较简单的操作是将Free List作为堆栈形式使用。

Read Control模块由PQ List的首地址0读出相应的BRAM中的内容，同时读出PRAM中对应的下一跳地址1，更新地址1为新的首地址。Free List将首指针a更新为刚释放的地址0，同时地址0中写入下一跳指针a。这样一次BRAM的读出操作需要一次PRAM的读取操作及一次PRAM的写入操作。

来源：维库开发网