# 在 FPGA 上实现路由器（2）

## 前言

月初的时候，有了一个完整可用的路由器（上一篇系列[博文](https://jia.je/hardware/2019/04/24/router-on-fpga/index.md)），但当时测了一下速度，只有几十 Mb/s，只要往上提就会失效，得 reset 才能继续。当时也先没管性能的事情，先把和 OS 交互的部分做了。现在又回头来做性能调优。

之前，逻辑部分的主频只有 10 MHz，这自然不行，不提高肯定做不到千兆。于是试着把主频拉高，FIFO 加大，然后遇到了很多问题，慢慢修复了，学到了很多新知识，目前也接近千兆的水平了吧，贴图：

TCP 测速：

UDP 测速：

测试环境是 macOS 虚拟机外打虚拟机内，走网桥把虚拟机和一个 USB 网卡接起来，然后从另一个 USB 网卡打到路由器。

## 尝试 700Mb/s

接下来讲讲，在这个过程中遇到了什么问题，怎么解决的。第一个是速度过快就会挂，这肯定是丢包逻辑没写对，后来在仿真里开够了时间，于是就找到了一个 BUG，其实就是一行的修复。接着就是提高主频，但大家也知道，CPU 不能随便超频，由于各种延迟的原因，比如 Setup 时间，如果超了一个时钟周期的时间，本来应该下个周期就得到新数据的，结果到了下下周期才有，那有的状态可能就乱了，我目前遇到的也主要就是这个问题。

于是就对着 Timing 里汇报的各种问题修啊修，发现了很多以前没有注意到的问题，它们不影响功能，但是会让逻辑变慢。第一个问题是 High Fanout，以上就是说一个输出接到了很多输入，这看起来没啥问题，但数设课上也讲过，每个门的输入输出电流是有限制的，例如按书上的数据，一个门输出只能带十个门，更多只能级联一层。级联的话，延迟自然就高了。后来发现，这里的原因是，开了一个大的数组，但是没有变成 RAM，综合出了几千个逻辑单元，自然是出问题。解决方法很简单，用 xpm_memory_tpdram 即可。这样一搞，主频就能上 200MHz 了。

这个时候测了一下，发现 UDP 能打到 700Mb/s 了，TCP 由于丢包率比较高，只有 400Mb/s，距离预期还有一段距离。于是继续进行优化。

## 向 900Mb/s 进发

要继续提速，自然要提高主频。下一个主频目标就是 250MHz。随着提高主频，时序的要求也会更高，自然也出现了新的问题。

这次的问题主要在于，一个路径上逻辑门数过多，多的有 7 到 10 个，每一步零点几到一点几纳秒，叠起来 4 纳秒哪里够用。于是把一些不需要依赖条件的逻辑挪到条件外面，这样就减少了一些路径的依赖。

解决了这个以后，现在的 WNS（Worst Negative Slack）只剩下 0.6 ns 了。这时候的问题一部分还是来自于逻辑门过多，但这个时候就没这么简单了，只能继续细化流水线，打一拍，这样才能把延迟降下来。

虽然 Timing 没有完全解决，但还是写进了 FPGA 中。幸好工作一切正常，就得到了上面那个图片的结果，接近千兆的速度了。

## 后续优化途径

后续优化途径的话，一方面是继续对逻辑进行细化和拆分，另一方面是对架构进行优化。当初设计的时候，可能没有考虑地那么周全，例如现在发现，其实 ARP Cache 可以放到每个网口一份，这样会降低花在仲裁上的时间。另外，路由表其实也可以分多份存，只要改的时候同一改就可以了。这样应该会更快。