摘要：在IP網(wǎng)絡中支持QoS是近年來研究的熱點，而IDT公司推出的新型存儲器件——多隊列FIFO能夠支持QoS的應用。因其具有單器件下支持可配置的多個隊列，并具有可級聯(lián)使用的高度靈活性，該器件在支持數(shù)據(jù)區(qū)分緩存和處理中有著良好的應用前景。介紹了多隊列團FIFO的主要特點，給出了FPGA控制方法及其在路由器中支持QoS調(diào)度的應用。

支持IP網(wǎng)絡中的QoS(服務質(zhì)量)，除了對相關網(wǎng)絡協(xié)議開發(fā)和完善外，也需要路由器內(nèi)部能夠?qū)Σ煌愋头纸M或數(shù)據(jù)流提供有區(qū)分的服務。多隊列FIFO是IDT公司于2002年率先推出的業(yè)界新型存儲器件，能夠有效地支持QoS的高速實現(xiàn)。該芯片是為改善網(wǎng)絡服務質(zhì)量和其它需要對隊列數(shù)據(jù)重新排序的應用而設計的，它既支持靈活的數(shù)據(jù)區(qū)分應用，又避免了復雜的片外控制邏輯。本文介紹該器件的基本特性和FPGA控制方法，并給出該存儲器在路由器中支持QoS調(diào)度的應用。

1 多隊列FIFO介紹

該器件配備有嵌入式FIFO存儲器核心和高速隊列邏輯，具有很高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和靈活的可配置性。該器件單芯片最高支持7．2Gbps持續(xù)傳輸速率和最多支持32個子隊列，器件級聯(lián)最多支持256個子隊列。只需一個FIFO即可緩存多種數(shù)據(jù)流，有助于用戶選擇不同的隊列執(zhí)行獨立的讀寫功能。

多隊列FIFO不僅提供諸如數(shù)據(jù)緩存、隊列滿空狀態(tài)指示、寫／讀時鐘獨立和寫／讀總線匹配等傳統(tǒng)的FIFO功能，而且支持整包操作模式(Packet Mode)和數(shù)據(jù)區(qū)分排隊，從而消除了以前用昂貴復雜的操作邏輯來實現(xiàn)類似功能。多隊列FIFO的示意圖如圖1所示。

由圖能直觀地看出，多隊列FIFO是在一個物理器件內(nèi)提供可區(qū)分的多個邏輯子隊列的存儲器?？蓞^(qū)分是指各子隊列可以獨立寫／讀，且各子隊列有獨立的狀態(tài)指示。

2 多隊列FIFO的FPGA控制

FPGA對多隊列FIFO的控制體現(xiàn)在三個方面：配置、寫操作和讀操作，如圖2所示。

2．1 多隊列FIFO的配置

新款IDT多隊列流量控制器件向系統(tǒng)設計人員提供了最新的解決方案，使得僅用一個高度集成器件就能夠進行可選擇的多個可區(qū)分的順序數(shù)據(jù)存取操作。這一靈活的功能可由一系列器件設置選項來實現(xiàn)。與以前的單隊列FIFO器件(如IDT 3690)不同的是，多隊列FIFO有相對復雜的可配置性，除寫／讀端口總線寬度可由芯片管腳直接設定外，還有相應的兩種配置方式：默認配置和串行配置，其中串行配置又稱用戶自定義配置，是一種新的器件特性。

圖3

    多隊列FIFO的可配置項有：(a)器件內(nèi)邏輯子隊列數(shù)量；(b)各子隊列的存儲深度；(c)各子隊列的PAF(幾乎滿)偏移值；(d)各子隊列的PAE(幾乎空)偏移值(普通模式下有效，整包模式下轉(zhuǎn)變?yōu)檎甘綪R)。

用戶對多隊列FIFO的配置有很大的靈活性。舉例來說，IDT72V51336~IDT72V51356可以配置成1～8個隊列，每個隊列的深度設定都是相互獨立的。標志位是用戶可編程的，且各子隊列獨立。配置可通過專門的串行編程口進行，如果不需要對器件編程也可以用默認模式。

串行配置是指配置多隊列FIFO的數(shù)據(jù)是逐比特串行送入器件的。在多隊列FIFO器件內(nèi)部有存放配置數(shù)據(jù)的寄存器，這些寄存器以18位為一基本單位。設Q為器件配置的子隊列數(shù)，Qmax為該器件所支持的最大子隊列數(shù)，則器件內(nèi)有(Qmax×4+1)個寄存器。單器件配置所需的比特數(shù)據(jù)量Sum為：18+Qx72+1。最后一比特為配置結(jié)束指示，假如設計中Q=8，則Sum=19+8x72=595比特。配置數(shù)據(jù)具體設置依據(jù)可參見IDT文檔AN-303(DSC-5997／2，2003年7月版本)。

串行配置信號時序(單器件)如圖3所示。

如果是多器件級聯(lián)使用，則器件i的SO和SENO~應分別與器件i+l的SI和SENI~相連，并檢測級聯(lián)尾器件的SENO~以判斷整個配置是否結(jié)束。當用硬件描述語言編寫串行配置的程序時，應當參考如圖4所示的串行配置流程狀態(tài)圖。

圖中的“配置數(shù)據(jù)”既可以存放在FPGA的片內(nèi)RAM中，也可以存放在片外存儲器中。由于配置數(shù)據(jù)量較小，推薦選擇存儲在片內(nèi)RAM中，因為這樣能夠省掉與片外存儲器的互連。

2．2 寫操作

多隊列FIFO使用于隊列地址Wradd／Rdadd區(qū)分各個寫／讀子隊列，用鎖定有效信號Waden／Raden的高電平指定新的寫／讀子隊列，寫／讀使能是Wen／Ren。

多隊列FIFO寫操作相比寫隊列地址的切換存在延后效應，即寫總線上的數(shù)據(jù)送入新的子隊列是發(fā)生在鎖定新子隊列地址后的第二個寫時鐘周期。如果能夠利用此時序特征，提前兩個周期鎖定新的子隊列地址，則可以做到100％使用寫總線周期。

當子隊列滿指示FF有效時，新的數(shù)據(jù)無法寫入該隊列，會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。一般為了避免這種情況，都要配置好PAF偏移值，在看到PAFn~拉低有效后，停止寫入操作。圖5給出不間斷寫操作時序圖。

圖5

    2．3 讀操作

與寫操作類似的讀操作也存在相對讀隊列地址的延后效應，即在新隊列地址鎖定后的第三個讀時鐘周期，讀總線上呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾伦雨犃袃?nèi)的數(shù)據(jù)。所以若能夠提前三個周期鎖定新隊列，則可以做到100％讀總線利用率。

當選定隊列狀態(tài)為空時，讀端口上呈現(xiàn)全高電平。配置好PAE偏移值后，通過查看PAEn～便可以得知隊列的空或非空狀態(tài)，并提前做好讀或切換新隊列的動作。圖6給出不間斷讀操作時序圖。

圖6

3 多隊列FIFO的應用

多隊列FIFO可滿足設備實現(xiàn)服務質(zhì)量、信息包優(yōu)先級和多數(shù)據(jù)流匯集／分開的要求。例如，根據(jù)信息包客戶定制優(yōu)先次序，進入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可被分配到多個隊列之一，每個隊列都代表不同的服務等級。處理器根據(jù)一定的運算法則首先處理優(yōu)先級高的信息包，以確保整個網(wǎng)絡的服務水平。筆者就使用了多隊列FIFO在骨干路由器交換網(wǎng)絡中實現(xiàn)了多優(yōu)先級調(diào)度，具體例子如圖7所示。

劃分服務等級通常依據(jù)分組的類型，對延遲敏感型分組給予高優(yōu)先級。區(qū)別于傳統(tǒng)的先到先服務(FCFS)，有區(qū)分的服務可以提供一定的網(wǎng)絡服務質(zhì)量，圖8是一個具體的例子。如果不應用多隊列FIFO，勢必要使用SRAM模擬多隊列，不得不增加許多復雜的控制邏輯，消耗處理器的資源；或者是采用多個獨立的存儲器件對不同類型分組進行排隊，既增加了實際制板(PCB)的難度，而且可擴展性差。

    另外，在不斷電連續(xù)運行的情況下，F(xiàn)PGA可控制在不同時段改變多隊列FIFO配置，以適應不同的應用需要。比如，要適配不同類型數(shù)據(jù)，暫存時可將其串行配置成相應多個子隊列；而只做同一類型數(shù)據(jù)緩有時可以將其配置成單隊列使用。故多隊列FIFO應用靈活性高，前景好。