本書根據(jù)作者長(zhǎng)期教學(xué)科研實(shí)踐，圍繞路由器的典型結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹基于Trie的IP路由查找電路、SDN流表電路、空分交換單元、共享存儲(chǔ)交換單元和復(fù)雜隊(duì)列管理器等5類典型電路，涵蓋了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的典型電路。所有電路均給出典型應(yīng)用場(chǎng)景、算法原理、電路框圖、接口定義和工作流程，以及經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證的RTL級(jí)設(shè)計(jì)代碼并進(jìn)行詳細(xì)的注釋，可采用FPGA或?qū)Ｓ眉�成電路加以�?shí)現(xiàn)。主要電路都給出仿真代碼和典型仿真結(jié)果，便于讀者對(duì)電路進(jìn)行理解和分析。

目前，Verilog HDL類書籍普遍偏重基本語法教學(xué)和基本電路設(shè)計(jì)，或者講授FPGA設(shè)計(jì)流程，本書則重在幫助具有初步語法基礎(chǔ)的讀者通過對(duì)各類典型工程案例的學(xué)習(xí)，成體系地熟悉計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域典型電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，有效積累大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)和實(shí)際的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步進(jìn)行本領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本書具有以下主要特點(diǎn)： ①所選擇的案例均具有一定代表性，并且在現(xiàn)有書籍中涉及較少； ②每個(gè)案例均給出電路的應(yīng)用場(chǎng)景、算法原理、電路設(shè)計(jì)代碼和仿真驗(yàn)證代碼，完備性較高，易于學(xué)習(xí)； ③所有代碼都經(jīng)過工程實(shí)踐驗(yàn)證，可以直接應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以采用FPGA或者專用集成電路實(shí)現(xiàn)； ④注重將數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)知識(shí)融入不同類型的設(shè)計(jì)案例中，有助于增加讀者對(duì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程學(xué)知識(shí)的了解，可對(duì)其他電路設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

本書包括6章。

第1章為概述。簡(jiǎn)單介紹計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分層模型及路由器在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的基本功能。在此基礎(chǔ)上介紹路由器的典型結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵電路和部分基礎(chǔ)知識(shí)，為后面章節(jié)的閱讀與學(xué)習(xí)提供支撐。

第2章重點(diǎn)介紹全硬件最長(zhǎng)前綴匹配電路的算法原理與電路實(shí)現(xiàn)。本章對(duì)應(yīng)用于路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的IP地址最長(zhǎng)前綴匹配技術(shù)進(jìn)行較為全面的介紹，對(duì)基本二進(jìn)制Trie的構(gòu)造、匹配、刪除等操作的算法原理進(jìn)行分析； 給出采用全硬件構(gòu)造基本二進(jìn)制Trie時(shí)的電路結(jié)構(gòu)、電路工作原理、詳細(xì)設(shè)計(jì)代碼并進(jìn)行仿真分析。針對(duì)基本二進(jìn)制Trie在查找速度和存儲(chǔ)空間利用率上的不足，分析路徑壓縮二進(jìn)制Trie查找電路的結(jié)構(gòu)、算法原理、典型代碼和仿真分析結(jié)果。

第3章對(duì)基于哈希的查找技術(shù)進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)�；�于哈希的查找技術(shù)可被應(yīng)用于以太網(wǎng)交換機(jī)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）中多級(jí)流表的實(shí)現(xiàn)。SDN是近年來高速發(fā)展并被逐漸接受的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，流表是其實(shí)現(xiàn)路由查找的關(guān)鍵技術(shù)。本章重點(diǎn)分析多桶哈希查找電路的算法原理與電路實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)典型多級(jí)流表電路并進(jìn)行仿真分析。

第4章給出支持虛擬輸出隊(duì)列的多端口空分交換單元的完整設(shè)計(jì)。Crossbar是典型的空分交換單元，可廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，包括以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器等，也可作為IP核用于各種分布式處理系統(tǒng)中，進(jìn)行不同處理單元之間的信息交互。本章給出包括虛擬輸入隊(duì)列、輸入仲裁器、輸出仲裁器在內(nèi)的典型Crossbar電路，對(duì)設(shè)計(jì)代碼進(jìn)行仿真分析。

第5章給出典型共享存儲(chǔ)交換結(jié)構(gòu)的工作機(jī)制和電路實(shí)現(xiàn)。共享存儲(chǔ)交換結(jié)構(gòu)由自由指針隊(duì)列管理器、基于鏈表的8優(yōu)先級(jí)隊(duì)列控制器以及頂層電路構(gòu)成。本章對(duì)其電路結(jié)構(gòu)、內(nèi)部接口關(guān)系和工作流程進(jìn)行說明，對(duì)其涉及的算法原理進(jìn)行詳細(xì)分析，給出完整的設(shè)計(jì)代碼并進(jìn)行仿真分析。

第6章重點(diǎn)設(shè)計(jì)支持資源預(yù)留的多用戶隊(duì)列管理器和基于DDR的多用戶隊(duì)列管理器。隊(duì)列管理器是路由器和各類協(xié)議處理器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的典型電路，可以根據(jù)需要同時(shí)建立和維護(hù)大量的邏輯隊(duì)列。本章設(shè)計(jì)的支持資源預(yù)留的隊(duì)列管理器可以為不同的邏輯隊(duì)列分配私有緩沖區(qū)，保證緩沖區(qū)使用的公平性，同時(shí)，這些邏輯隊(duì)列還可以按需使用共享緩沖區(qū)，提高緩沖區(qū)利用率，從而形成靈活的緩沖區(qū)分配與使用機(jī)制。支持資源預(yù)留的隊(duì)列管理器可以為不同的邏輯隊(duì)列，基于預(yù)先配置的信用值分配輸出帶寬，實(shí)現(xiàn)靈活的帶寬分配和多隊(duì)列輸出調(diào)度機(jī)制�；�于DDR的多用戶隊(duì)列管理器采用數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)分段相結(jié)合的緩沖區(qū)劃分與使用機(jī)制，可以兼顧緩沖資源按需動(dòng)態(tài)分配和較低的硬件資源消耗，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)重傳，滿足特定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與協(xié)議處理需求。

需要說明的是，路由器歷經(jīng)多代發(fā)展，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、轉(zhuǎn)發(fā)能力、設(shè)備結(jié)構(gòu)、部署位置、鏈路類別等進(jìn)行分類，形成復(fù)雜的設(shè)備型譜，涉及龐大的知識(shí)體系，無論哪本書都很難全面詳盡地加以介紹。本書圍繞路由器的基本功能，較為全面地介紹計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的基本電路，給出典型設(shè)計(jì)代碼，旨在幫助學(xué)習(xí)者快速理解和掌握復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，提升設(shè)計(jì)能力。

閱讀本書時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 本書的設(shè)計(jì)代碼均采用可綜合風(fēng)格的Verilog HDL實(shí)現(xiàn)，仿真驗(yàn)證代碼主要基于task高效實(shí)現(xiàn)。

(2) 在代碼中主要使用FIFO和RAM兩類IP核。本書的IP核主要基于Xilinx的ISE或Vivado集成開發(fā)環(huán)境生成，如果使用其他開發(fā)環(huán)境，只需略作調(diào)整即可。本書的所有代碼都可以直接在Xilinx的ISE或Vivado集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證和仿真分析，也可方便地移植到其他開發(fā)環(huán)境下。

(3) 本書中所有狀態(tài)機(jī)均采用混合類型而非傳統(tǒng)的米里型和摩爾型，更適合設(shè)計(jì)復(fù)雜狀態(tài)機(jī)，使代碼可讀性更強(qiáng)。

(4) 為了更好地分析仿真結(jié)果，模擬真實(shí)電路中的門延遲，在代碼的賦值語句中加入了延遲，有利于分析信號(hào)跳變與時(shí)鐘上升沿之間的關(guān)系。

本書由陸軍工程大學(xué)喬廬峰教授、陳慶華副教授、晉軍副教授和續(xù)欣副教授編著。魯銘洋、張棟、李榮健、王金旭等碩士研究生參與了部分代碼調(diào)試、仿真驗(yàn)證和內(nèi)容編寫工作，在此表示感謝。

喬廬峰2025年3月