黃 旭，喬廬峰，陳慶華，吳艷華

（陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210001）

0 引 言

機(jī)載數(shù)據(jù)總線作為航空電子綜合系統(tǒng)的重要組成部分，用于機(jī)載設(shè)備和子系統(tǒng)之間的互聯(lián)，承擔(dān)著各模塊之間信息交換的任務(wù)。隨著航空電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性提出了更高要求。在以太網(wǎng)為基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型航空網(wǎng)絡(luò)AFDX是一種確定性網(wǎng)絡(luò)[1]，可以滿足當(dāng)前航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳的容錯(cuò)性、實(shí)時(shí)性和可靠性要求。在AFDX中，端系統(tǒng)（End System）是非常重要的組成部分，在航空電子子系統(tǒng)和交換網(wǎng)絡(luò)之間起到橋梁的作用。它負(fù)責(zé)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)流進(jìn)行整形，然后按照分配好的虛擬鏈路（VL）發(fā)往目的終端[2]。虛擬鏈路作為端系統(tǒng)的核心，將一條物理鏈路分為多條VL。每條虛擬鏈路都有其獨(dú)立的參數(shù)，通過這些參數(shù)的設(shè)置控制每條鏈路中數(shù)據(jù)的傳輸[3-4]。為了靈活、合理使用帶寬和存儲(chǔ)資源，本文設(shè)計(jì)了一種隊(duì)列管理器。該隊(duì)列管理器對(duì)每條虛擬鏈路單獨(dú)管理，從而確保業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量[5]。

1 隊(duì)列管理器設(shè)計(jì)

為了對(duì)多條虛擬鏈路進(jìn)行管理，且為了滿足AFDX中各虛擬鏈路之間幀傳輸時(shí)互不干擾的需求[6-7]，設(shè)計(jì)了如圖1所示的隊(duì)列管理器。

圖1 隊(duì)列管理器結(jié)構(gòu)

隊(duì)列管理器主要分為以下幾個(gè)部分：自由指針隊(duì)列、多隊(duì)列管理器、緩沖區(qū)模塊、接口管理電路和寫預(yù)處理模塊。

（1）自由指針隊(duì)列。這個(gè)模塊存放著緩沖區(qū)模塊的地址，即自由指針。每當(dāng)有一個(gè)信元寫入緩沖區(qū)，需要從自由指針模塊取出自由指針。每當(dāng)有數(shù)據(jù)完成讀操作，自由指針空閑出來(lái)，需要?dú)w還到自由指針隊(duì)列。

（2）多隊(duì)列管理器。該模塊存放著每個(gè)隊(duì)列的相關(guān)信息，包括鏈表、頭尾指針信息、深度信息和預(yù)留門限等。

（3）緩沖區(qū)。該模塊是用來(lái)存放輸入端口傳輸進(jìn)來(lái)的信元。調(diào)度器模塊也是從該模塊讀取信元。

（4）接口管理電路。該模塊在收到讀寫請(qǐng)求時(shí)，會(huì)判斷緩沖區(qū)是否滿足讀寫條件，若滿足則執(zhí)行操作，否則不執(zhí)行。此外，該模塊控制當(dāng)前執(zhí)行的是讀或者寫操作，防止發(fā)生沖突。

（5）寫預(yù)處理模塊。該模塊從隊(duì)列管理器取出空閑指針，并將信元存往緩沖區(qū)指定地址中。

2 隊(duì)列管理器工作流程

2.1 數(shù)據(jù)寫入流程

當(dāng)新的業(yè)務(wù)流到達(dá)時(shí)，由前處理模塊發(fā)出輸入請(qǐng)求，同時(shí)告知業(yè)務(wù)流的編號(hào)。多隊(duì)列控制模塊會(huì)依據(jù)編號(hào)查詢?nèi)￡?duì)列信息，并判斷是否滿足繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)的條件。若滿足條件，則操作流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)寫入操作流程

以業(yè)務(wù)流編號(hào)為地址，多隊(duì)列管理電路會(huì)讀取該編號(hào)虛擬鏈路的相關(guān)信息，包括該隊(duì)列的信元深度、隊(duì)列預(yù)先設(shè)定的門限、頭尾信息以及剩余的共享緩存深度。接口管理電路根據(jù)這些信息判斷，當(dāng)緩沖區(qū)中剩余的空間足夠裝下一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀時(shí)，則將輸入的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)。

2.2 隊(duì)列控制器中鏈表的構(gòu)建

本設(shè)計(jì)中隊(duì)列控制器需要對(duì)128條業(yè)務(wù)流進(jìn)行管理。為了提高隊(duì)列管理器的靈活性，節(jié)約存儲(chǔ)資源，采用基于鏈表的存儲(chǔ)方式。如圖3所示，鏈表中的信元結(jié)構(gòu)：2比特的信元指示位，16比特的下一跳的地址位。此外，鏈表的構(gòu)建需要用到隊(duì)列的頭尾信息，多隊(duì)列管理模中有一塊RAM用來(lái)存放鏈路的頭尾指針信息。

當(dāng)上一級(jí)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，隊(duì)列管理器先從自由指針隊(duì)列取出一個(gè)自由指針，然后以業(yè)務(wù)流的編號(hào)ingress_qnr為地址，從多隊(duì)列管理模塊中查找該業(yè)務(wù)流所在隊(duì)列的頭尾信息。查找完成后，可以得到該隊(duì)列的尾指針地址。以尾指針為地址，將取出的自由指針寫入該隊(duì)列的鏈表中，同時(shí)更新頭尾指針信息和深度信息。最后，將信元寫入自由指針?biāo)赶虻木彌_區(qū)。

圖3 鏈表

當(dāng)某條鏈路需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，先以engress_qnr為地址，從多隊(duì)列管理模塊中讀取信息。經(jīng)接口管理電路判斷，若該鏈路的緩沖區(qū)中存有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，則以頭指針作為地址位讀取緩沖區(qū)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。完成讀取操作后更新鏈表，先從鏈表中讀出下一跳的地址。這是該隊(duì)列新的頭指針，然后更新多隊(duì)列管理模塊。完成表更新后進(jìn)行指針歸還操作，即將完成讀操作的頭指針歸還到自由指針隊(duì)列。

2.3 緩沖區(qū)管理模塊

緩沖區(qū)管理模塊是用來(lái)存儲(chǔ)輸入信元的模塊。本設(shè)計(jì)中的隊(duì)列管理器需要對(duì)128條虛擬鏈路進(jìn)行管理和調(diào)度。為了更加靈活地管理128條隊(duì)列，緩沖區(qū)采用了固定分配和共享緩存兼容的緩沖方式，即緩沖區(qū)給每條虛擬鏈路預(yù)留部分緩沖空間，剩余的緩沖空間作為共享緩存。這種方式可以更加合理靈活地使用緩沖區(qū)，從而提高緩沖區(qū)資源利用率。

2.4 數(shù)據(jù)讀出流程

當(dāng)隊(duì)列控制模塊收到讀取數(shù)據(jù)的請(qǐng)求時(shí)，會(huì)同時(shí)接收到業(yè)務(wù)流的編號(hào)，根據(jù)業(yè)務(wù)流編號(hào)會(huì)對(duì)該業(yè)務(wù)流對(duì)應(yīng)的隊(duì)列信息進(jìn)行判斷。隊(duì)列控制器以業(yè)物流編號(hào)engress_qnr為地址，從多隊(duì)列管理器中讀取該隊(duì)列的相關(guān)信息，如隊(duì)列深度、隊(duì)列頭尾信息、隊(duì)列預(yù)留深度等。在存有一個(gè)完整數(shù)據(jù)幀的情況下，才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)讀取的頭尾指針信息可以得到讀指針（engress_ptr），以讀指針為地址從緩沖區(qū)讀取信元，接口管理電路會(huì)將信元發(fā)送到調(diào)度器模塊。完成讀取流程后，需要更新鏈表和各信息模塊。此外，原先的頭指針在讀操作完成后成為自由指針，需要?dú)w還到自由指針隊(duì)列。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 初始化配置

系統(tǒng)完成復(fù)位后，先要進(jìn)行自由指針隊(duì)列的初始化。圖4是自由指針初始化過程。當(dāng)信號(hào)cfg_init置1的時(shí)候開始初始化配置，即將自由指針寫入相應(yīng)的地址中。以自由指針0為例，初始化操作中使能信號(hào)wea置1，地址信號(hào)addra值為0，輸入信號(hào)dina值為0。這表示自由指針0寫入自由指針隊(duì)列地址為0的位置。當(dāng)全部的自由指針寫入隊(duì)列后，自由指針隊(duì)列的初始化完成。其余的內(nèi)部模塊主要是將RAM內(nèi)個(gè)表項(xiàng)清零。

圖4 自由指針隊(duì)列初始化仿真結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)流寫入仿真分析

當(dāng)上層數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列管理器時(shí)，要先判斷是否有足夠的緩存空間儲(chǔ)存新到達(dá)的數(shù)據(jù)幀。若滿足寫入條件，則將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)；否則，丟包。如圖5所示，此時(shí)ingress_ptr_req為1，表示有信元申請(qǐng)寫入緩沖區(qū)；ingress_qnr為100，表示信元來(lái)自編號(hào)為100的業(yè)務(wù)流。先讀取多隊(duì)列管理模塊中該隊(duì)列的相關(guān)信息，然后經(jīng)過接口管理模塊進(jìn)行判斷。該通道緩沖空間為空，滿足寫入的條件，因此將信號(hào)ingress_ptr_ack置1，表示可以將信元寫入緩沖區(qū)。此時(shí)，將得到的自由指針4095賦值給寫指針ingress_ptr，然后以寫指針為地址將進(jìn)入隊(duì)列管理器的信元寫入緩沖區(qū)中對(duì)應(yīng)的位置。

圖5 寫數(shù)據(jù)仿真結(jié)果

3.3 數(shù)據(jù)流讀出流程分析

當(dāng)隊(duì)列管理器中有數(shù)據(jù)要被讀出時(shí)，隊(duì)列管理器會(huì)收到一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)engress_ptr_req和業(yè)物流編號(hào)engress_qnr。此時(shí)，接口管理模塊會(huì)判斷該編號(hào)業(yè)務(wù)流的緩沖隊(duì)列中是否存有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀。若滿足條件，則發(fā)送數(shù)據(jù)；若不滿足，則不發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖6所示，engress_qnr為100，engress_ptr_req為1，表示編號(hào)為100的業(yè)務(wù)流有數(shù)據(jù)要讀出，經(jīng)緩沖區(qū)判斷該業(yè)物流緩沖隊(duì)列中存有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀。因此，將信號(hào)engress_ack置1，表示可以從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。指針engress_ptr的值為4095，所以從緩沖區(qū)該地址讀取信元。

圖6 讀數(shù)據(jù)仿真結(jié)果

3.4 自由指針歸還操作

每次完成一個(gè)信元的讀取操作都需要?dú)w還自由指針。如圖7所示，此時(shí)虛擬鏈路號(hào)100的虛擬鏈路完成了一次讀操作，指針4095成為了自由指針，需要將其歸還到自由指針隊(duì)列。這時(shí)，將自由指針模塊的寫使能信號(hào)wea置1，空閑的地址位是4093，所以信號(hào)自由指針隊(duì)列的地址位addra值取4093，自由指針4095作為輸入信號(hào)dina。這表示將自由指針4095寫入自由指針隊(duì)列中地址為4093的位置。歸還自由指針操作完成，將寫使能信號(hào)置回0。

圖7 自由指針歸還仿真結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)AFDX這種確定型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種適用于多條虛擬鏈路的隊(duì)列管理器，并介紹了各部分的功能及其結(jié)構(gòu)。仿真證明，該隊(duì)列管理器能夠?qū)Χ讼到y(tǒng)中多條隊(duì)列實(shí)現(xiàn)單獨(dú)管理，并合理分配利用緩沖資源。下一步將結(jié)合調(diào)度器對(duì)該隊(duì)列管理器做進(jìn)一步測(cè)試，檢測(cè)其時(shí)延和抖動(dòng)方面的特性，以確保滿足確定型網(wǎng)絡(luò)AFDX的需求。