0 引言

    基于FPGA的期貨行情數(shù)據(jù)加速處理過程中，不同的消息類型采用并行處理的方式，并且每一次的處理結(jié)果需要使用內(nèi)存來緩存一次行情數(shù)據(jù)信息。行情數(shù)據(jù)信息容量巨大，片上存儲(chǔ)難以滿足需求，采用DDR3 SDRAM成為首選方法^[1]。但由于DDR3只有一套數(shù)據(jù)訪問通道，不能滿足多個(gè)通道同時(shí)訪問的需求^[2]。此前的對(duì)于SDRAM的多通道解決方案中，比如曹一江^[3]等設(shè)計(jì)的基于NPI總線的片外存儲(chǔ)器，最大帶寬可達(dá)743 Mb/s；樊博^[4]等使用UI接口，DDR3通信的最大帶寬可達(dá)3.8 Gb/s；張宇嘉^[5]等設(shè)計(jì)的基于AXI4的DDR3多端口方案雖然傳輸速率有所提高，但由于AXI4協(xié)議本身的復(fù)雜性增加了開發(fā)使用的難度。本文實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了期貨行情數(shù)據(jù)加速處理中基于FPGA的DDR3六通道UI接口讀寫防沖突設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了DDR3多通道讀寫的復(fù)雜度，隨著有效數(shù)據(jù)周期的提升，最高端口速率可達(dá)5.0 GB/s以上，帶寬利用率可達(dá)80%以上。

1 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

    本文所設(shè)計(jì)的六通道讀寫防沖突總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括通道判優(yōu)仲裁模塊、讀寫邏輯控制模塊和DDR3存儲(chǔ)器控制模塊。

    DDR3存儲(chǔ)控制器模塊采用Xilinx公司的MIG核，用戶只需要通過IP核的GUI選擇內(nèi)存芯片并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，即可完成DDR3的配置工作^[6]。

    通道判優(yōu)仲裁模塊將對(duì)六路通道進(jìn)行仲裁，對(duì)于同一時(shí)刻有讀寫請(qǐng)求的不同通道，該模塊按照優(yōu)先級(jí)的高低判定訪問DDR3的順序，利用中斷思想解決多通道讀寫的沖突問題。

    讀寫邏輯控制模塊控制DDR3的接口生成，根據(jù)不同操作完成對(duì)應(yīng)接口的時(shí)序控制^[7]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)DDR3的正確讀寫訪問。

2 DDR3存儲(chǔ)器控制模塊設(shè)計(jì)

    DDR3 IP核生成的控制器邏輯框圖如圖2所示，采用UI接口的方式相比于AXI4接口，不需要自己組織數(shù)據(jù)，容易操作，大大簡(jiǎn)化了DDR3的使用復(fù)雜度，為DDR3的擴(kuò)展使用帶來了方便^[8]。

2.1 存儲(chǔ)控制模塊寫操作

    DDR3寫操作接口信號(hào)如表1所示。

    寫操作過程：當(dāng)app_rdy和app_wdf_rdy同時(shí)為高的情況下，寫入DDR3的地址app_addr與app_cmd綁定對(duì)齊，寫入DDR3的數(shù)據(jù)app_wdf_data與數(shù)據(jù)掩碼app_wdf_mask綁定對(duì)齊，app_cmd置為3′b000，與此同時(shí)app_en、app_wdf_wren、app_wdf_end置高，即可將數(shù)據(jù)寫到對(duì)應(yīng)的地址中。

    因?yàn)镈DR3的寫時(shí)序不只一種，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的用戶接口寫操作時(shí)序?yàn)榈刂泛蛿?shù)據(jù)完全對(duì)齊，便于理解和操作^[9]。

2.2 存儲(chǔ)控制模塊讀操作

    DDR3的讀操作接口信號(hào)如表2所示。

    讀操作過程：在app_rdy為高時(shí)，用戶發(fā)送讀命令并同時(shí)將app_en置高，則讀命令和讀地址會(huì)寫到DDR3中，DDR3會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)和有效指示信號(hào)，兩者共同決定返回的數(shù)據(jù)是否有效。

    通常情況下，DDR3的讀請(qǐng)求結(jié)束之后不會(huì)馬上返回?cái)?shù)據(jù)，需要延遲一定的時(shí)鐘周期。

3 通道判優(yōu)仲裁模塊設(shè)計(jì)

    通常情況下，由于DDR3只有一組控制、地址和數(shù)據(jù)總線，因此同一時(shí)刻只能有一個(gè)通道在訪問。根據(jù)期貨交易的處理規(guī)則，優(yōu)先級(jí)由高到低的順序依次為合約信息消息、市場(chǎng)狀態(tài)消息、品種交易狀態(tài)消息、成交統(tǒng)計(jì)行情消息、多檔定單簿行情消息、多檔成交量統(tǒng)計(jì)行情消息。在通道判優(yōu)的過程中，首先將6種不同的消息經(jīng)封裝后分別寄存到相應(yīng)的消息緩存中，每一通道寫入消息緩存中的數(shù)據(jù)格式，從高到低位依次為寫使能、讀使能、寫數(shù)據(jù)、寫地址、讀地址；然后首先判斷合約信息消息緩存是否為空，如果不為空，則證明當(dāng)前有合約信息消息的請(qǐng)求發(fā)生，此時(shí)狀態(tài)機(jī)會(huì)跳轉(zhuǎn)到合約信息消息處理狀態(tài)；待合約信息消息的緩存全部讀取完畢之后，再次按優(yōu)先級(jí)順序判斷其他消息緩存是否為空，狀態(tài)機(jī)隨即做相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)，完成不同通道之間的切換，如圖3所示。

    對(duì)于不同的消息類型，對(duì)應(yīng)著不同的消息處理單元，目的是增加系統(tǒng)的并行處理操作，降低處理延遲。

4 讀寫邏輯控制模塊

    讀寫邏輯控制模塊主要對(duì)不同類型消息做并行化處理，生成DDR3的接口信號(hào)，每個(gè)消息的處理流程如圖4所示。

    對(duì)于期貨交易中的各種合約行情，種類多，但占用空間小，通常DDR3中一個(gè)地址就可完成一個(gè)行情的存儲(chǔ)，在行情的還原、計(jì)算、發(fā)布中，需要讀取多個(gè)行情。由于DDR3的突發(fā)長(zhǎng)度為8，為了便于對(duì)行情的準(zhǔn)確存取，6個(gè)通道的數(shù)據(jù)位寬均設(shè)定為DDR3位寬的1/8，即一次只存取一個(gè)地址的數(shù)據(jù)。

    對(duì)于通道判優(yōu)仲裁模塊輸出的數(shù)據(jù)，寫使能與讀使能均為1 bit位寬，高電平表示請(qǐng)求發(fā)生；寫數(shù)據(jù)為64 bit位寬；寫地址和讀地址為28 bit位寬，DDR3的數(shù)據(jù)位寬在IP核中配置為512 bit，地址位寬為28 bit。因?qū)憯?shù)據(jù)位寬與DDR3數(shù)據(jù)位寬不匹配，所以DDR3的寫操作需要掩碼配合共同完成。

    處理過程如下：首先進(jìn)行讀寫判斷，若寫使能置高，則跳轉(zhuǎn)到寫操作狀態(tài)；若讀使能置高，則跳轉(zhuǎn)到讀操作狀態(tài)，若無讀寫操作，處于等待狀態(tài)。（期貨行情消息處理中不會(huì)出現(xiàn)同一通道讀寫同時(shí)進(jìn)行的情況，因此同一通道讀寫使能同為高電平的情況不會(huì)出現(xiàn)。）

    如果是寫操作，一方面生成寫入DDR3的地址和命令，另一方面將寫數(shù)據(jù)封裝成512 bit位寬。其中寫入DDR3的地址app_addr為{寫地址[27:3]，3′d0}，寫入的數(shù)據(jù)app_wdf_data和掩碼app_wdf_mask由寫地址[2:0]確定。數(shù)據(jù)地址命令控制模塊也會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生app_en、app_wdf_wren、app_wdf_end控制信號(hào)，這些信號(hào)共同作用關(guān)于DDR3 SDRAM存儲(chǔ)器，配合完成DDR3的寫入操作，如圖5所示。

    如果是讀操作，地址命令選擇模塊將讀地址[27:3]賦值給app_addr作為寫入DDR3的基地址，同時(shí)將讀地址[2:0]作為寫入DDR3的偏移地址存入對(duì)應(yīng)通道的偏移地址緩存中，在數(shù)據(jù)地址命令控制模塊生成其他的控制信號(hào)傳送給DDR3 SDRAM存儲(chǔ)器。DDR3 SDRAM根據(jù)地址返回相應(yīng)的512 bit位寬的數(shù)據(jù)。在返回?cái)?shù)據(jù)的同時(shí)讀取對(duì)應(yīng)通道偏移地址緩存中的偏移地址，并根據(jù)此偏移提取對(duì)應(yīng)的64 bit數(shù)據(jù)從而完成DDR3的一次讀取操作，如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    本文以Xilinx公司的Kintex-7系列XC7K325T FPGA芯片和Micron公司的JBF9C256x72AKZ DDR3芯片為硬件平臺(tái)，并以此來驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的正確性，分析其性能。

    測(cè)試方法：六通道在同一時(shí)刻發(fā)起DDR3的讀寫請(qǐng)求，其中1～4通道進(jìn)行DDR3的寫請(qǐng)求，5、6通道進(jìn)行DDR3的讀請(qǐng)求，狀態(tài)機(jī)按照消息優(yōu)先級(jí)的順序依次進(jìn)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)完成處理，最后將數(shù)據(jù)分別返回到相應(yīng)通道中，ChipScope結(jié)果如圖7所示。

5.2 實(shí)驗(yàn)分析

    為了更好描述設(shè)計(jì)的性能，本文引入以下參數(shù)。仲裁時(shí)間：請(qǐng)求信號(hào)發(fā)生到通道開始處理的時(shí)間間隔；IP核處理時(shí)間：DDR3 IP核從接收指令到返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間；有效提取時(shí)間：從512 bit的DDR3返回?cái)?shù)據(jù)中提取對(duì)應(yīng)的64 bit的時(shí)間間隔；有效數(shù)據(jù)時(shí)間：數(shù)據(jù)有效的維持時(shí)間；總時(shí)間：消息請(qǐng)求到數(shù)據(jù)返回的時(shí)間，即仲裁時(shí)間、IP核處理時(shí)間與有效數(shù)據(jù)時(shí)間之和。因此：

    在本設(shè)計(jì)中，實(shí)測(cè)仲裁時(shí)間為3個(gè)時(shí)鐘周期，IP核處理時(shí)間為22個(gè)時(shí)鐘周期，有效提取時(shí)間2個(gè)時(shí)鐘周期，如圖8所示。

    每個(gè)通道的有效數(shù)據(jù)時(shí)間不相同，性能也不相同，具體測(cè)試結(jié)果如表3所示。

    測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)能穩(wěn)定高效地完成多通道對(duì)DDR3的訪問，隨著有效數(shù)據(jù)周期的提升，通道速率可達(dá)5 GB/s以上，帶寬利用率可達(dá)80%以上，能夠滿足期貨行情數(shù)據(jù)處理過程中的實(shí)時(shí)性要求。

6 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的DDR3六通道讀寫防沖突設(shè)計(jì)，能有效地解決在期貨行情數(shù)據(jù)處理中多通道同時(shí)訪問DDR3的沖突問題，在現(xiàn)有的Kintex-7系列FPGA平臺(tái)期貨行情數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中取得了良好的應(yīng)用效果。測(cè)試結(jié)果表明該防沖突設(shè)計(jì)能高效正確地完成多通道對(duì)DDR3的訪問，具有穩(wěn)定性好、仲裁時(shí)間固定、效率高等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的DDR3多通道讀寫防沖突設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了多通道讀寫DDR3的復(fù)雜度，降低了在期貨行情數(shù)據(jù)處理過程中的延遲，提高了并行處理速度。

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作者信息:

張鳳麒，張延彬，王忠勇

（鄭州大學(xué) 產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南 鄭州450000)