互联网作为我国现代化建设的核心,与生产生活休戚相关,而网络处理器作为骨干网中最高效灵活的设备已经得到广泛关注和使用。基于此大背景下,本文课题来自国家部委重大技术研究项目。网络处理器作为骨干网中最高效灵活的部分,可以协助处理云计算或是作为路由器和交换机,而网络处理器中最能体现其灵活性在于其“匹配-动作”模型。本文首先通过分析网络处理器中“匹配-动作”模型的各种架构,结合超长指令字架构设计了基于MMT模型的与适用于XDNP交换架构的包操作处理器。将指令处理和硬件协处理结合,实现了灵活性与高效性并存的包头向量处理电路。其内部有4个处理核心、4个输出重组单元、1个超长指令FIFO和1个CSR模块,每个处理核心内部有8条相同的指令流水线、1个输入传输单元以及1个寄存器文件。处理核心用于完成字段处理功能,输出重组单元用于将处理结果与包字段结合,超长指令FIFO用于缓存匹配级查找结果中的超长指令字,CSR模块用于增加可配置功能,增加灵活性,以及对输入端和输出端的流量进行计数统计。进一步,针对包处理架构设计了多条自定义微码指令,指令的主要功能是处理数据报文,因此除了支持基本的算术逻辑运算外,本指令集中还包括以Byte为粒度的加载指令和存储指令,进而设计了超长指令字格式,其格式中包括32条32bits的指令和4bits标志位。根据报文中字段的不同处理需求,又基于本指令集设计了超长指令序列,这些指令序列包括了基础动作修改、替换、添加、删除、丢弃、复制和计数等操作,覆盖了如IEEE802.3、TCP/IP、ARP等基本协议。后续基于指令集先后设计了三级指令流水线和四级指令流水线,仿真分析比较两种流水线的性能,最终确定了以四级流水作为包操作处理器的流水线,流水线划分为取指、译码、执行、写回四级,流水线中运用两级数据前推功能,有效的解决了流水线中的数据冲突,确保了处理的正确性。之后设计输出重组单元,当流水线执行S＿TYPE指令时,重组单元会根据指令将处理结果与包字段结合,当流水线执行NOP指令时,重组单元会将输入的包头向量Bypass到输出端。后设计CSR模块,考虑到包操作处理器的通用性,设计了以配置的方式改变其有效处理位宽,可以使其应用于不同处理场景。最后,以高层仿真加RTL仿真的方式对包操作处理器进行验证。由于本设计中自定义指令集,因此以微码指令作为本设计的验证手段。验证围绕修改、替换、添加、删除、丢弃、复制和计数等操作进行,验证时人为的编写特定功能汇编指令,然后通过汇编器将微码转换为十六进制文件,读入被测设计。在结果判定时,首先比对包操作处理器输入端与输出端的流量计数器,查看有无丢包,再进行高层仿真,将高层仿真的结果与RTL仿真结果进行比对,结果显示电路实现的功能与预期一致。接下来设计覆盖率测试点,以设计的测试点对测试向量进行约束,并使用定向测试和随机测试两种方式进行覆盖率分析,结果显示覆盖率收敛。随后又在XCVU13P开发板上联合Spirent网络协议分析仪进行板级验证,结果显示本文设计的包操作处理器在312.5MHz的时钟频率下满足40Gbps的设计需求,最后再对设计电路在UMC28nm的条件下进行逻辑综合时序收敛,一致性检查通过。