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【IC】NoC设计入门 --交换矩阵

news 2025/11/5 7:09:10

你完全说对了！这确实是所有组件中**最“直观”**的一个。

它就是 “交换矩阵” (Crossbar)，我们“十字路口”的**“立交桥”或“扳道岔”**系统。

1. 💡 “交换矩阵” (Crossbar) 的“顿悟”时刻

它听起来很“矩阵”，很复杂，但它的核心功能非常简单：

一个 Crossbar 就是一堆“多路选择器” (Multiplexer, MUX) 的集合。

我们来思考一下。在我们的5x5路由器中，我们有5个输出端口（东、南、西、北、本地）。

让我们只看**“东输出” (East Output)** 这个端口：

问题： 它的“数据”可以来自哪里？
答案： 它可以来自“北输入”、“南输入”、“西输入”或“本地输入”。（在我们的XY路由中，它不会来自“东输入”）。
结论： “东输出”端口需要一个 “4选1”的MUX。
MUX的数据输入： i_data_north, i_data_south, i_data_west, i_data_local。
MUX的“选择”信号 (sel)： 这个MUX由谁来“控制”？
答案： 由我们刚刚设计的**“东出口仲裁器” (arbiter_for_east)** 来控制！

arbiter_for_east 的 o_gnt (授权) 输出信号，就是这个MUX的“选择”信号！

因此，一个5x5的Crossbar，本质上就是5个并排的MUX：

一个 “4选1 MUX” 来决定**“东输出”**的数据。
一个 “4选1 MUX” 来决定**“北输出”**的数据。
一个 “4选1 MUX” 来决定**“南输出”**的数据。
…以此类推。

2. 🔌 模块“蓝图” (Module Interface)

这是一个纯组合逻辑模块。它不需要 clk 或 rst_n。它就是一堆“开关”和“电线”，“授权”信号一来，它就“立刻”接通。

/** 模块：5x5 交换矩阵 (Crossbar)* 功能：基于仲裁器的“授权”信号，将输入数据“切换”到正确的输出端口* 类型：纯组合逻辑 (Combinational)*/
module crossbar_5x5 #(parameter FLIT_WIDTH = 32 // 必须和 FIFO 的 FLIT_WIDTH 保持一致
)(// ---- 5个“数据”输入 (来自5个Input Port的FIFO输出) ----input [FLIT_WIDTH-1:0] i_data_north,input [FLIT_WIDTH-1:0] i_data_south,input [FLIT_WIDTH-1:0] i_data_east,input [FLIT_WIDTH-1:0] i_data_west,input [FLIT_WIDTH-1:0] i_data_local,// ---- 5组“控制”输入 (来自5个Arbiter的“授权”输出) ----// 注意：每个都是 4-bit, 对应 4 个可能的请求者input [3:0] i_gnt_for_north, // 授权给“北出口”的One-Hot向量input [3:0] i_gnt_for_south,input [3:0] i_gnt_for_east,input [3:0] i_gnt_for_west,input [3:0] i_gnt_for_local,// ---- 5个“数据”输出 (去往5个Output Port) ----output [FLIT_WIDTH-1:0] o_data_north,output [FLIT_WIDTH-1:0] o_data_south,output [FLIT_WIDTH-1:0] o_data_east,output [FLIT_WIDTH-1:0] o_data_west,output [FLIT_WIDTH-1:0] o_data_local
);// TODO: 实现 5 个并行的 One-Hot MUXendmodule

3. 🚦 核心逻辑实现 (One-Hot MUX)

我们如何用“仲裁器”的One-Hot (独热) 输出 (o_gnt) 来实现一个MUX？

arbiter_for_east (东出口仲裁器) 的 i_gnt_for_east 是一个4位向量，我们假设它的“请求者”顺序是：[0]=North, [1]=South, [2]=West, [3]=Local。
如果它授权给“North”，i_gnt_for_east 将是 4'b0001。
如果它授权给“West”，i_gnt_for_east 将是 4'b0100。
如果它谁也没授权，i_gnt_for_east 将是 4'b0000。

我们可以用一种非常“硬件化”、非常高效的方式来实现这个MUX：

/** 模块：5x5 交换矩阵 (Crossbar)* ... (接口同上) ...*/
module crossbar_5x5 #(parameter FLIT_WIDTH = 32
)(// ... (输入/输出接口同上) ...// ---------------------------------------------// 核心逻辑：5个并行的 MUX// ---------------------------------------------// -- 1. "东" 出口的 MUX --// "东"出口可以被 N, S, W, L 请求// 假设 i_gnt_for_east[0] = Grant to North//       i_gnt_for_east[1] = Grant to South//       i_gnt_for_east[2] = Grant to West//       i_gnt_for_east[3] = Grant to Localassign o_data_east = (i_data_north & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_east[0]}}) | // "与": 如果gnt[0]是0, 结果是0(i_data_south & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_east[1]}}) | // "或": 因为是One-Hot,(i_data_west  & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_east[2]}}) | // 最多只有1项不是0(i_data_local & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_east[3]}});// -- 2. "北" 出口的 MUX --// "北"出口可以被 S, E, W, L 请求// 假设 i_gnt_for_north[0] = Grant to South//       i_gnt_for_north[1] = Grant to East//       i_gnt_for_north[2] = Grant to West//       i_gnt_for_north[3] = Grant to Localassign o_data_north = (i_data_south & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_north[0]}}) |(i_data_east  & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_north[1]}}) |(i_data_west  & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_north[2]}}) |(i_data_local & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_north[3]}});// -- 3. "南" 出口的 MUX --// "南"出口可以被 N, E, W, L 请求assign o_data_south = (i_data_north & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_south[0]}}) |(i_data_east  & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_south[1]}}) |(i_data_west  & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_south[2]}}) |(i_data_local & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_south[3]}});// -- 4. "西" 出口的 MUX --// "西"出口可以被 N, S, E, L 请求assign o_data_west = (i_data_north & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_west[0]}}) |(i_data_south & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_west[1]}}) |(i_data_east  & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_west[2]}}) |(i_data_local & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_west[3]}});// -- 5. "本地" 出口的 MUX --// "本地"出口可以被 N, S, E, W 请求assign o_data_local = (i_data_north & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_local[0]}}) |(i_data_south & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_local[1]}}) |(i_data_east  & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_local[2]}}) |(i_data_west  & {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_local[3]}});endmodule

🔍 代码解析

assign
- 我们在这里只用了 assign 关键字。这告诉Verilog：“这是一个纯组合逻辑的‘连接’”。
- o_data_east 不是一个 reg（寄存器），它就是一根“导线” (wire)，它的“值”完全由 assign 右侧的计算结果立即决定。
{FLIT_WIDTH{...}} (Verilog复制操作符)
- 这是实现“One-Hot MUX”的“黑魔法”。
- i_gnt_for_east[0] 是一个 1-bit 信号 (1'b1 或 1'b0)。
- {FLIT_WIDTH{i_gnt_for_east[0]}} 的意思是：“把这个 1-bit 信号复制 FLIT_WIDTH 次（比如32次）”。
- 结果：
  - 如果 i_gnt_for_east[0] 是 1'b1 (授权)，它就变成 32'b111...1 (即 32'hFFFFFFFF)。
  - 如果 i_gnt_for_east[0] 是 1'b0 (未授权)，它就变成 32'b000...0 (即 32'h0)。
& (按位与) 和 | (按位或)
- (i_data_north & 32'hFFFFFFFF) 的结果是 i_data_north。
- (i_data_north & 32'h00000000) 的结果是 32'h0。
- 因为 i_gnt_for_east 是 One-Hot（最多只有1位是’1’），所以 assign o_data_east = ... 的 | (或) 运算中，最多只有一项是“真实数据”，其他所有项都是 32'h0。
- 这就在硬件上完美地实现了一个 MUX！