基于RISC-Ⅴ处理器的智能网络控制器的设计与研究

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随着网络技术的持续发展,网络带宽不断提升,在云数据中心对大带宽的网络数据包进行高速处理消耗了大量的主机处理器资源。云数据中心提供的服务多种多样且不断变化,这就需要对网络数据包进行灵活的处理。SmartNIC(Smart Network Interface Controller,智能网络控制器)通过搭载处理器核,在传输数据包的同时可以对数据包进行缓冲和处理,缓解了处理网络数据包占用过多主机处理器资源的问题。与封闭的ARM指令集架构相比,近些年出现的开放的RISC-Ⅴ(Reduced Instruction Set Computer-Ⅴ,第五代精简指令集计算机)指令集架构具有指令简洁、模块化好等特点,然而该新型指令集架构在SmartNIC上的应用没有得到充分的研究。提出一种基于RISC-Ⅴ的新型SmartNIC设计方案,该SmartNIC的设计采用大量发送、接收循环队列的方案,实现了网络数据包的双向高速传输。开源、轻量级的PicoRV32 RISC-Ⅴ处理器核为该SmartNIC提供可编程性,可以对传输过程中的网络数据包进行动态处理。通过在SmartNIC运行过程中动态加载RISC-Ⅴ程序,可以灵活地调整SmartNIC的使用场景。在SmartNIC的设计上,RISC-Ⅴ SoC(System on Chip,片上系统)中加入UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用异步收发传输器)控制器以实现PicoRV32调试信息的打印输出,加入GPIO(General-Purpose Input/Output,通用输入输出)控制器以读取IO输入和发送IO请求。基于RISC-Ⅴ的SmartNIC在赛灵思Alveo U280 FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)板卡上实现,通过几个典型场景下的应用实例测试了其可编程性和性能。在100Gbps的网络环境下,单RISC-Ⅴ处理器核为SmartNIC提供良好可编程性的同时,能够达到较高网络性能(带宽为21Gbps)。
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