在信息技术井喷式发展的今天,集成电路集成度和工艺技术迅速提高,计算机与通信技术快速迭代,新一代总线协议标准也都相继推陈出新,以上诸多技术领域的发展演进,都使得目前的信号处理平台和信息通信设备在功能、性能以及数据吞吐量等方面都得以大幅提升。而作为各类信息信号处理平台设备中联结各节点的“骨干动脉”,数据交换网络面临着不断踊跃的新的挑战,包括吞吐率、时延、功耗、复杂度等等。基于以上背景需求,本文研究并设计了一种基于AXI4总线协议面向以太网协议数据包的三级Clos结构高速交换网络,旨在实现高容量、低功耗、可容错以及低复杂度的目标。本文主要开展并完成了以下几个方面的工作:首先,分别研究了单级交换和多级交换的多种经典交换结构,结合各自结构特点分析对比了性能及实现上的优缺点。另外还研究了目前较为成熟且被广泛应用的几种调度算法,为本文后续的调度算法设计奠定思路基础。其次,基于MSM(Memory-Space-Memory)型三级Clos结构,设计了数据交换总体架构以及变长包仲裁调度器,主要针对MAC地址提取、端口映射管理、仲裁调度器等功能模块进行了优化设计与实现。其中,在调度机制上提出了异步正交调度机制,该机制能够避免在对数据包进行信元切割时,由于数据包长不是定长信元的整数倍而对末尾信元进行冗余数据填充带来的带宽资源浪费,提高系统性能。再次,对系统的功耗、容错等方面进行了一系列的优化设计。为节省资源开销降低功耗,对AXI4协议进行了复用压缩编码设计,并对Clos结构相互独立的各子交换模块添加时钟门控管理。为提高系统容错性,结合Clos结构多通道路径的特点,实现端口灵活复用的容错设计。另外针对异步调度机制带来的调度时延上的开销,对调度器进行了预取设计以实现调度上流水化降低时延。最后,基于仿真工具和验证方法学,分别在模块级和系统级层面分别对系统的时序和功能进行了测试、验证和校错。测试结果表明,系统各模块时序功能达到设计预期,能在较大负荷状态下正常完成数据交换工作。