基于DDR3的多访问源仲裁控制方案的研究

作     者：张小苗 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘琛;苗春华

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 0839[工学-网络空间安全] 070201[理学-理论物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：多访问源 仲裁控制 DDR3 优先级 

摘      要：随着量子密钥分发系统(Quantum Key Distribution,QKD)的高速发展,量子密钥的研究方法被广泛应用在数字集成系统的各个领域中,有越来越多的外部访问源模块都集成在QKD系统中,数据通信变得十分频繁,各访问源模块会竞争第三代双倍速率同步动态随机存储器(Three Dual Date Rate SDRAM,DDR3 SDRAM)资源的访问控制权,从而影响QKD系统的工作性能和运行速度。为解决多访问源同时访问DDR3引起的资源冲突和访问乱序问题,本文提出了一种基于DDR3的多访问源仲裁控制方案。本文在分析现有仲裁控制方案的优缺点基础上,改进和优化传统仲裁方案,并结合外部访问源的性质和带宽需求,提出了新的三级仲裁控制方案。其中第一级仲裁电路用来仲裁基于高级可扩展接口(Advanced e Xtensible Interface,AXI)总线的读、写命令请求,当端口读写命令同时到达时,本文采用包头机制与轮询仲裁相结合的方法实现仲裁,并对需要优先处理的访问命令添加包头信息,方便下一级电路仲裁。此外,对于需要直接访问DDR3的命令,本文增设了紧急命令处理器,可以实现紧急命令直接访问DDR3,减小数据传输延时。第二级仲裁电路用来仲裁多端口同时访问DDR3的命令请求,本文采用动态加权与轮询仲裁相结合的方法,提出端口流量值决定初始权重值的思路。由于每个周期端口流量统计值是变化的,所以对应端口的初始权重值也是变化的,从而实现访问端口权重的动态调整。第三级仲裁电路用来仲裁访问DDR3的各命令,通过使用timeout与轮询仲裁相结合的方法,使访问命令能够有序访问DDR3资源。本文根据设计方案,使用Verilog语言完成模块的RTL设计,并搭建验证平台进行模块级和系统级功能仿真验证,将传统仲裁控制方案和现有仲裁方案应用于QKD系统中,比较分析各仲裁方案的总线利用率等指标结果,然后进行逻辑综合和覆盖率分析,最后完成FPGA验证。本文提出的仲裁方案可以同时满足实时性和目的带宽要求,快速实现复杂的仲裁功能,可实现高吞吐率的优化目标。本文提出的自调整权重动态仲裁算法,每次仲裁前先预判外部访问环境,针对不同访问源的统计带宽值,确定各访问源的优先权重,然后结合timeout机制、轮询仲裁等方法共同完成仲裁,实现带宽的合理分配,使存储器资源利用率有所提高,总线利用率提高了11.3%。本文提出的仲裁方案能够稳定运行于QKD系统中,有利于提高QKD系统的速度等性能指标,为进一步提高QKD的工作效率提供了新思路,具有重要的工程应用价值。