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随着互联网应用不断扩大,互联网承载的业务,已由过去单纯的数据业务向语言业务、视频业务、游戏业务等多方向发展。网络互连设备如核心路由器和大型交换机成为了互连网高速发展的关键设备。在交换机和路由器中,交换结构是其核心单元,决定了网络互连设备的性能。目前交换结构及交换结构的调度算法已成为热门研究课题。本文分析了现有交换结构的不足,采用APRR调度算法设计了带缓存的交叉开关交换结构(CICQ),设计了应用于路由器的可自定义寄存器总线,在Xilinx公司的FPGA平台上实现了该交换结构和寄存器总线。在交换结构输入端,采用虚拟输出队列消除了队头阻塞,降低了报文丢包率。采用温度计编码和反温度计编码,设计了交换结构的可编程优先级仲裁器。采用APRR调度算法提高了交换结构在非均匀业务下吞吐率,应用二级流水线调度机制,降低了报文的转发时延。基于Virex-5芯片实现了8*8的带缓存交叉开关交换结构。仿真结果表明,报文可以按照端口信息在8us范围内从输入端口转发到输出端口。FPGA综合结果表明:该交换结构消耗了26008个Slice寄存器,占了Virex-5芯片资源的31%,消耗了18632个LUT,占Virex-5芯片资源的22%,消耗了96个RAM/FIFO单元,占总资源的32%。采用了自定义的寄存器总线协议,设计了具有一位控制线和一位串行数据线的寄存器总线;对寄存器总线传输的数据采用了帧头与帧尾校验方式,提高了数据传输的安全性;基于Virex-5芯片实现了该寄存器总线。仿真结果表明,主控CPU能够正确读写接口板路由表。FPGA综合结果表明,该总线消耗的寄存器和查找表资源极少,不到芯片资源的1%。将CICQ交换结构和自定义总线应用于路由器中,并测试与分析了路由器的性能和功能。采用IXIA网络分析仪,对路由器进行了交换容量、链路速率、报文转发时延和丢包率的测试。测试结果表明:路由器交换容量大于10Gbps,链路速率大于1.5Gbps,转发时延小于25us,丢包率小于10-6,满足了路由器的应用要求。