【摘 要】
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随着万物互联时代的来临,骨干网上的数据包呈现爆炸式的增长。所需的数据包转发速率日益提高,路由查找速度成为限制数据包转发速率的关键因素之一。采用三态内容寻址存储器（Ternary Content Addressable Memory,TCAM）进行路由查找可以满足Gb/s级别的链路速度,但功耗高、价格昂贵等问题成为其短板。因此研究基于TCAM的低功耗、高速路由查找网络处理器SoC具有重要意义。本文首
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随着万物互联时代的来临,骨干网上的数据包呈现爆炸式的增长。所需的数据包转发速率日益提高,路由查找速度成为限制数据包转发速率的关键因素之一。采用三态内容寻址存储器（Ternary Content Addressable Memory,TCAM）进行路由查找可以满足Gb/s级别的链路速度,但功耗高、价格昂贵等问题成为其短板。因此研究基于TCAM的低功耗、高速路由查找网络处理器SoC具有重要意义。本文首先介绍了网络处理器SoC设计过程所涉及的关键技术;其次,针对现有TCAM实现路由查找方案的弊端,设计了基于SRAM的TCAM路由协处理器;然后,为TCAM协处理器IP设计了总线接口并集成到基于ARMCortex-M3的SoC中,完成了 SoC的仿真和FPGA原型验证;最后,为了进一步降低SoC的功耗,本文对SoC进行了低功耗综合和版图设计。论文工作成果主要体现在:（1）采用Verilog语言设计基于SRAM的TCAM单元及其控制器,实现查找过程全流水结构,同时更新过程无需按照最长前缀匹配规则进行,并通过此单元进行级联扩展形成具有路由查找功能的TCAM协处理器。（2）使用ARM Design Start计划提供的Cortex-M3 RTL软核作为处理器,通过为协处理器IP设计AHB接口将其集成到SoC中,并为SoC设计电源管理模块来降低系统功耗,最终实现具有路由查找功能的网络处理器SoC的设计。（3）对SoC进行低功耗综合和层次化版图设计,采用门控电源和多电压域技术,将整个SoC划分成9个电压域,通过电源管理模块可以将其中7个电压域进行关断。配合门控时钟策略以及多阈值库使得SoC的功耗下降了 35%。最后在UMC28nm CMOS工艺下,SoC的主频达到500MHz,实现每秒5亿次的查找速度,能够满足256Gb/s的链路速度,更新速度可以达到每秒680万次,并且功耗仅为3.32W。
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