（通信与信息系统专业论文）基于可重配置路由器的片上网络研究.pdf

摘要片上网络是复杂多核片上系统通信架构设计的关键技术。路由器作为片上网络的核心部件，其结构及控制机制对系统的通信效率和功耗等有显著影响。传统的静态配置路由器在可扩展性和灵活性方面存在着不足，难以满足多核片上系统多变的应用需求。设计能够根据网络状态选择最优工作模式的具有可重配置能力的片上路由器，提高了系统的可扩展性和灵活性，能够显著的缩短片上网络芯片的开发周期。本文针对片上路由器结构及其控制机制进行研究，提出一种可重配置路由器d c r o u t e r ，并将其应用到i p 核与路由器之间多对多互连的e m e s h 拓扑结构中，从而构成可重配置的片上网络结构d c n o c 。本文的主要研究内容包括：( 1 ) 总结了片上网络技术在理论研究和商业应用方面的发展现状，并对可重配置片上网络的研究意义进行分析。( 2 ) 深入研究了片上路由器的基本结构及其控制机制，包括虫孔路由器和虚信道路由器内部结构及其工作原理，无死锁的自适应路由算法设计等。( 3 ) 建立了片上网络的热量分布模型，提出一种无死锁的热量均衡路由算法d t b r ，仿真结果表明该算法在时延吞吐性能和热量均衡特性方面都具有明显优势。( 4 ) 开发了一种改进的n o x i m片上网络仿真器，该仿真器基于虚信道路由器结构，能够仿真多种不同参数配置下的时延吞吐等性能。( 5 ) 本文分析了i p 核与路由器之间多对多互连拓扑结构的片上网络，在时延、吞吐、硬件开销等方面的特性，设计出一种i p 核动态有选择接入的e m e s h 结构可重配置片上网络d c n o c 。( 6 ) 结合对片上路由器结构及其控制机制的研究结果和d c n o c 的可重配置特性，设计出动态可重配置路由器d c r o u t e r ，该路由器中i p 核与路由器之间接入端口数目及其接入方式是可重配置的。( 7 ) 最后，本文开发了d c n o c 的系统级性能仿真器，仿真分析了d c n o c在时延吞吐性能方面的优越性，并使用x i l i n xf p g a 开发软件i s e 综合出d c n o c的硬件电路，在不同配置方式下对d c n o c 进行功能验证。关键词：片上网络可重配置路由器自适应路由算法性能仿真电路设计n e t w o r k - o n - c h i p ( n o c ) i sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yf o rt h ec o m m u n i c a t i o n丘a m e w o r ko fl a r g e s c a l em u l t i - p r o c e s s o rs y s t e m - o n - c h i p ( m p s o c ) ，i nw h i c ho n c h i pr o u t e ri st h ek e r n e lc o m p o n e n t r o u t e ra r c h i t e c t u r ea n dc o n t r o lm e c h a n i s m sa r ec r u c i a lf o rt h ec o m m u n i c a t i o ne f f i ci e n c ya n dp o w e rc o s to fn o c t r a d i t i o n a ls t a t i c c o n f i g u r e dr o u t e r sh a v et h ed i s a d v a n t a g e so fp o o rf l e x i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y , s ot h ea p p l i c a t i o np r o p e r t i e so fm p s o cw i l ln o tb es a t i s f i e du s i n gt h e s er o u t e r s d y n a m i c a l - c o n f i g u r e dr o u t e r sc a na d a p tt h e i ro p e r a t i n gm o d ei na c c o r d a n c ew i t ht h en e t w o r ks t a t ev a r i a t i o n ，t h u st h ef l e x i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t yo ft h es y s t e mw i l lb ei m p r o v e d t h e s ed y n a m i c a l - c o n f i g u r e dr o u t e r sc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ed e v e l o p m e n tt i m eo fn o c t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h eo n - c h i pr o u t e ra r c h i t e c t u r ea n di t sc o n t r o lm e c h a n i s m s a n dd c r o u t e r , ad y n a m i c a l - c o n f i g u r e dr o u t e r , i sp r o p o s e d t h e n ，d c r o u t e ri sa p p l i e dt ot h ee m e s ht o p o l o g y , i nw h i c ht h ei pc o r e sa n dr o u t e r sa r ec o n n e c t e di nam u l t i p l e - t o m u l t i p l ew a y , t oc o n s t r u c tt h ed y n a m i c a l - c o n f i g u r e dn o c ，d c n o c t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ri n c l u d e ：( 1 ) c u r r e mr e s e a r c hr e s u l t so nn o cd e s i g n t h e o r ya n ds o m ec o m m e r c i a lp r o d u c t sa r ec o n c l u d e d ，e s p e c i a l l yt h es i g n i f i c a n c eo fd y n a m i c a lc o n f i g u r e dn o ca r c h i t e c t u r e ( 2 ) b a s i cr o u t e ra r c h i t e c t u r ea n di t sc o n t r o lm e c h a n i s m sa r er e s e a r c h e di nd e t a i l s ，i n c l u d i n gt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e so fw o r m h o l er o u t e ra n dv i r t u a l - c h a n n e lr o u t e r , a d a p t i v ed e a d l o c k - f i e er o u t i n ga l g o r i t h m s ，e t c ( 3 ) an o ct h e r m a lm o d e li sp r o p o s e d ，a n dt h e nad y n a m i c a lt h e r m a l b a l a n c er o u t i n ga l g o r i t h m , d t b r , i sd e s i g n e d d t b ra l g o r i t h mc a na c h i e v em u c hb e t t e rp e r f o r m a n c ei na s p e c t so fd e l a y , t h r o u g h p u t ，a n dt h e r m a ld i s t r i b u t i o na c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ( 4 ) a ni m p r o v e dn o x i ms i m u l a t o ri sd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do nv i r t u a l - c h a n n e lr o u t e r , a n dc a nb eu s e dt os i m u l a t et h ep a c k e td e l a ya n dt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo fn o ci nd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ( 5 ) t o p o l o g i e so fm u l t i - t o - m u l t ic o n n e c t i o nb e t w e e ni pc o r e sa n dt o u t e r sa r ea n a l y z e d ，a n dad y n a m i c a l c o n f i g u r e dn o c ，d c n o c ，i sp r o p o s e d d c n o ci sb a s e do nt h ee m e s ht o p o l o g y , i nw h i c ht h ei pc o r ec a nd y n a m i c a l l ya c c e s st h eo n - c h i pr o u t e r ( 6 ) b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t so fo n - c h i pr o u t e ra r c h i t e c t u r ea n dc o n t r o lm e c h a n i s m s ，a sw e l la st h ed y n a m i c a l - c o n f i g u r e dp r o p e r t i e so fd c n o c ，t h ed c r o u t e ri sd e s i g n e d i nd c r o u t e rt h en u m b e ro fa c c e s s i n gc h a n n e l sb e t w e e ni pc o r ea n dr o u t e r , a n dt h ew a yt h e ya r ec o n n e c t e dc a n b ec o n f i g u r e d ( 7 ) f i n a l l y , w ed e v e l o pas y s t e m - l e v e l0洲3舢0860川2删yp e r f o r m a n c es i m u l a t o rf o rd c n o c t h ed e l a ya n dt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e du s m gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s m o r e o v e r , w i t ht h eh e l po fx i l i n xi s e12 1 ，s y n t h e s i z e dh a r d w a r ec i r c u i t sa n db e h a v i o r a ls i m u l a t i o no fd i f f e r e n tc o n f i g u r e dd c n o c sa r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：n e t w o r k - o n - c h i pr e c o n f i g u r a b l er o u t e ra d a p t i v er o u t i n ga l g o r i t h mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc i r c u i t sd e s i g n第一章绪论第一章绪论片上网络( n o c ) 作为未来多核片上系统通信架构设计的关键技术，自从2 0 0 0年提出至今已经逐渐发展成为- f q 完善的应用科学。在理论研究方面，对片上网络的研究几乎遍布世界各地，国内外与其相关的各类研究机构多达数百家。在商业应用方面，片上网络技术也得到了国内外各大半导体公司以及嵌入式系统公司的广泛关注，其中i m e l 、s t 、c i s c o 、p h i l i p s 、t i l e m 、s o n i c s 、a r m 、i b m 等公司已经先后推出基于片上网络互连架构的多处理器芯片，a r t e r i s 、s i l i a i 】【、i n o c s 、a l t e m 等公司依靠其在片上网络互连技术方面的优势，为众多半导体公司提供芯片互连架构设计方案及开发工具。目前，片上网络互连架构主要应用于多核处理器、多媒体处理系统、4 g 移动通信系统等芯片。片上网络为基于i p 核复用的大规模片上系统设计提供了一个灵活的通信平台，它解决了作为多核s o c 技术瓶颈的通信架构问题。片上路由器是片上网络的核心部件，设计低时延、高吞吐、低硬件开销的片上路由器结构和高效的路由器控制机制是片上网络研究的热点问题。面对电子产品形形色色的应用需求以及不断缩短的产品更新换代周期，具有良好可扩展性和灵活和的可重配置片上网络互连架构，对于设计复杂多核片上系统具有重要的研究价值。1 1 片上网络概述在过去3 0 多年中，微电子技术始终保持着高速的发展，这不仅体现在单个芯片上能够集成的晶体管数目上，集成电路的设计方法和e d a 开发工具等都经历了一次又一次的变革。随着微电子技术进入到数十亿晶体管时代，将多核处理器系统m p s o c 集成到单个芯片已经成为现实，片上网络作为大规模多核片上系统互连架构的关键技术应运而生。1 1 1 片上网络的设计思想片上系统采用了基于i p 核复用的设计方法，i p 核是系统中具有特定功能的单元电路，例如微处理器、d s p 模块、片内存储器等。将不同功能的i p 核通过片上总线互连，然后编写相应的嵌入式系统软件，就完成了一个具有特定功能的s o c产品设计。随着片上系统集成的i p 核数目和种类不断增加，系统功能越来越复杂多变，传统的总线结构通信方式成为制约s o c 性能的瓶颈。片上网络将互连网络和分组交换的设计思想引入到多核s o c 设计中来【l 】【2 】【3 1 ，将系统的通信平台设计2基于可重配置路由器的片上网络研究与功能模块设计独立进行，它是未来大规模复杂片上系统设计的关键技术。片上网络将片上路由器按照一定的拓扑结构互连，从而构成一个片上微网络结构。不同功能的i p 核通过网络接口n i 接入到片上网络中来，网络接口对i p 核发送的数据进行数据封装，形成固定格式的分组。片上路由器根据分组的目的地址信息，将数据分组在网络中正确的传输到目的i p 核。片上网络可以为系统中任意一对i p 核之间实现透明的数据通信。互连网络中的一些控制协议，例如流量控制机制、路由算法、任务调度机制、服务保障机制等，都可以应用到片上网络中来，以提高系统的通信效率。由于片上网络采用分组交换，i p 核之间数据通信的基本数据单元是分组，不同的分组根据目的地址信息在网络中独立传输。这种方法能够有效的提高片上网络的信道资源利用率和系统通信效率。与总线结构s o c 相比，片上网络具有以下的优点【4 】【5 】：第一，总线结构将多个i p 核接入到一条共享的数据总线上，而在数据总线上同时只能有一对节点进行通信。当系统规模较小时，总线结构能够满足系统中节点之间的通信需求。随着系统规模扩大，总线结构低下的通信效率必然成为制约系统性能的瓶颈。片上网络为系统提供了一个网络化的通信平台，其具有丰富的信道资源，能够支持多个i p 核同时并发的数据通信，而且随着i p 核数目增加，网络规模相应的扩大，网络上的信道资源也相应增加。因此，与总线结构s o c 相比，片上网络的通信效率更高。第二，总线结构s o c 针对不同的系统应用进行独立设计，当系统扩展新的功能时，需要对现有的设计方案进行重新设计，其在产品的设计、验证和维护上需要很大的投入。总线结构s o c 不具有可扩展性，制约了产品的更新换代周期。片上网络设计了一个独立的片上通信平台，它能够满足不同应用特性片上系统的设计需求，而且当系统扩展新的功能时，只需要将增加的i p 核接入到网络中，并不需要进行重新的设计。因此，片上网络具有更好的可扩展性，缩短了产品设计和验证的时间。第三，随着片上系统规模的扩大，总线结构s o c 全局连线的功耗将显著增加，同时保证全局时钟同步也将难以实现。片上网络中路由器之间采用短连线，降低了芯片上互连线的功耗。通过采用全局异步局部同步g a l s 的技术，将连接在不同路由器上的i p 核作为一个独立的时钟域，路由器之间采用异步通信方式，这样避免了复杂的系统同步电路设计。1 1 2 片上网络的核心技术片上网络是一种高效的片上互连技术。本节总结分析n o c 所采用的主要关键技术 6 1 1 7 】【8 1 1 9 1 1 0 1 ，包括拓扑结构、交换机制、路由算法、流量控制、路由器结构。拓扑结构定义了片上网络中i p 核节点的布局以及相互连接方式。根据拓扑结构的规整性，片上网络可以分为基于规则拓扑和不规则拓扑的片上网络。规则拓第一章绪论扑的片上网络包括m e s h 、t o m s 、f o l d e dt o m s 、f a tt r e e 、b u t t e r f l yf a tt r e e 、o c t a g o n等，其优点在于能够为数据传输提供丰富的信道资源，而且具有结构简单、便于布线的特点。不规则拓扑结构的片上网络中节点之间的连接关系根据系统应用不同存在着很大的差异，它通常是根据i p 核之间的尺寸大小和通信流量特性不同对规则拓扑结构进行修改，或者将多种规则拓扑进行整合得到。不规则拓扑n o c 的优点在于它是针对特定应用系统的通信需求进行了结构优化的片上网络，但是它的可扩展性和灵活性较差，只能用于特定的系统应用下。交换机制决定了片上网络中路由器在何时，以及采用何种方式实现数据转发。片上网络采用不同的交换机制，其数据通信的基本单元以及路由器的缓存空间大小也相应不同。片上网络常用的交换方式有电路交换、分组交换、虚切通交换和虫孔交换，其中虫孔交换在性能和硬件开销等方面具有一定的优势。在虫孔交换片上网络中，数据分组划分为若干个数据微片。数据微片根据其在分组中的位置以及路由时的作用可分为三种类型：头微片、体微片、尾微片。只有头微片中包含分组的路由信息，它在路由器中逐跳的为整个分组建立一条路由器内部的数据路径，体微片和尾微片沿着头微片建立的数据路径传输。当网络中发生数据拥塞时，采用虫孔交换的片上网络，数据微片缓存在当前路由器的输入缓存队列中，因此虫孔路由器最少只需要提供单个微片的缓存空间。路由算法根据分组的路由信息和网络的状态信息，计算分组在网络中的传输路径。路由算法是决定片上网络性能的关键因素之一。根据路由算法是否能够按照网络状态调整分组的传输路径，可以将其分为确定性路由算法和自适应路由算法。采用确定性路由算法时，分组在网络中的传输路径完全由源节点和目的节点的相对位置唯一确定。确定性路由算法不考虑网络的状态变化，因此不能够合理的利用片上网络的链路资源。自适应路由算法可以根据网络的状态信息，为分组动态的选择一条最优传输路径，它能够实现片上网络的流量均衡、容错等方面性能。与确定性路由算法相比，自适应路由算法相应的增加了路由器的复杂度，需要实现网络状态信息的收集和传递，以及对分组传输路径的动态调整。流量控制机制决定了片上网络的信道资源分配和使用方式，片上网络的信道资源主要包括链路带宽、输入缓存空间、输入虚信道等。流量控制机制根据路由器是否使用缓存队列，可以分为基于缓存和无缓存的流量控制。无缓存的流量控制机制主要应用于电路交换片上网络中，而基于缓存的流量控制机制主要应用在分组交换、虚切通交换和虫孔交换的片上网络中。片上网络常用的基于缓存的流量控制机制包括：基于信用的流量控制机制、握手信号流量控制机制、a c k n a k流量控制机制、o n o f f 流量控制机制等。片上路由器是片上网络的主要构成单元，片上网络的主要控制机制都是在片上路由器中实现的，例如交换机制、路由算法、流量控制机制、调度算法等，所4基于可重配置路由器的片上网络研究以片上路由器结构设计对整个片上网络的性能具有决定性的作用。通常基于虫孔交换的片上路由器在内部构成上主要由输入输出端口、数据缓存队列f i f o 、路由计算单元r c 、交叉开关分配单元s a 、交叉开关电路等组成。1 2 片上网络的研究现状1 2 1 片上网络的理论研究片上网络将互连网络和分组交换的设计思想引入到芯片设计中来，因此它涉及到一个巨大的理论体系，包括系统体系结构级的设计方法学、建模分析、性能仿真、e d a 工具开发、嵌入式操作系统开发、任务映射、拓扑生成、服务质量保证、测试平台设计等，网络架构级的路由器结构、自适应路由算法、交换机制、流控机制、调度算法、死锁避免、虚信道技术、缓存管理、容错技术、多播技术等，以及电路结构级的时序分析、同步异步电路设计、信号和电路设计、低功耗电路设计、片上网络的f p g a 实现等。对片上网络技术的研究遍布了世界各地主要的研究机构，其中在该领域研究成果比较突出的机构包括美国的普林斯顿大学、斯坦福大学、卡耐基梅隆大学、麻省理工大学、哥伦比亚大学、加利福尼亚大学等，瑞典的皇家理工学院k t h ，意大利的卡塔尼亚大学和博洛尼亚大学，韩国的先进科技研究所k a i s t ，西班牙的马德里理工大学等，另外包括英国、法国、德国、丹麦、荷兰、芬兰、希腊、以色列、伊朗、印度、巴西、日本、台湾、香港、加拿大等众多国家和地区的研究机构，也在片上网络领域取得一定的研究成果。s p i n 是2 0 0 0 年法国u n i v e r s i t 6p i e r r ee tm a r i ec u r i e 研究人员提出的一种基于胖树拓扑结构的片上网络【1 1 1 。s p i n 基于虫孔交换，它采用了分布式的自适应路由算法和基于信用的流量控制机制。s p i n 的信道位宽为3 6 比特，其中3 2 比特数据位和4 比特标记位。s p i n 片上网络内部使用4 个字节的独立输入缓存和1 8 个字节的共享输出缓存，输入端口和输出端口之间通过一个1 0 1 0 的交叉开关互连。s p i n 每个路由器的最大带宽为2g b i t s s ，整个网络总带宽最大为1 0 0g b i t s s 。通过在0 1 3l am 的c m o s 工艺下布局，s p i n 单个路由器占用0 2 4 r a m 2 的芯片面积。x p i p e s 是意大利u n i v e r s i t yo f b o l o g n a 的研究人员在2 0 0 3 年提出的一个片上网络编译平台【1 2 1 ，它能够根据片上网络设计参数的不同自动生成一个满足系统要求的片上网络结构，该平台使用s y s t e m c 语言编写出片上网络各部分模块的代码，能够灵活的设置各种不同的参数。x p i p e s 能够根据设计要求生成不同拓扑结构的片上网络，路由器采用虫孔交换，路由算法使用确定性的静态路标路由，并通过基于源路由的方法实现。x p i p e s 采用参数化的物理信道，根据系统应用需求可以第一章绪论选择3 2 比特、6 4 比特、1 2 8 比特的信道位宽。x p i p e s 路由器采用输出缓存队列，交叉开关使用数据复用器构成。x p i p e s 采用c r c 循环冗余校验码检测传输中的错误，路由器使用基于a c k n a c k 的流量控制。当检测到数据传输错误时，x p i p e s采用重传分组的方法来纠错。在o 1 3l am 的c m o s 工艺下实现x p i p e s 片上网络的4 * 4 路由器，路由器占用0 2 3 8 m m 2 的芯片面积。m a n g o 是丹麦t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo f d e n m a r k 的研究人员在2 0 0 5 年提出的一种面向连接的，能够提供服务质量保证的无时钟片上网络结构【1 3 】。m a n g o 片上网络采用2 维m e s h 拓扑结构，路由器通过使用虚信道的方法分别为有服务质量保证要求的数据g s 提供面向连接的数据通信，而为无服务质量要求的数据b e 提供无连接的数据通信。m a n g o 片上网络采用确定性的x y 维序路由算法，每条物理信道包含3 2 比特的数据位和5 比特的控制信号。m a n g o 采用基于信用的流控机制，每个物理信道划分为8 条虚信道。另外，m a n g o 片上网络采用了无时钟的完全异步电路，从而显著降低了芯片的功耗。在0 1 2i im 的c m o s 工艺下实现5 * 5 的m a n g o 路由器，路由器占用的芯片面积为0 1 8 8 m m 2 。除了以上几种片上网络设计平台之外，其它比较有影响力的片上网络设计平台还包括：a s o c t l 4 1 ，c h a i n t l5 1 ，s o c b u s 16 1 ，s o c i n t l7 1 ，h e r m e s e l 引，q n o c e l g i ，n o s t r u m e 2 0 1 ，a e t h e r e a l 2 h ，p n o c 2 2 等。目前，国内已有数十家科研机构投入到片上网络的研究中来，主要包括西安电子科技大学、成都电子科技大学、合肥工业大学、国防科技大学、浙江大学、上海交通大学、南京理工大学等。国内对片上网络的研究起步较晚，主要针对某些特定的技术，例如拓扑结构、路由算法、路由器结构等，与国外的研究成果相比还存在一定的距离。1 2 2 片上网络的商业应用近年来随着片上网络基础理论的不断成熟，基于片上网络技术的多核芯片产品也在不断出现。目前与片上网络相关的公司主要包括两类：第一，使用片上网络技术开发多核片上系统芯片的各大半导体公司以及嵌入式系统公司，包括i n t e l 、s t 、c i s c o 、p h i l i p s 、t i l e r a 、s o n i c s 、a r m 、i b m 等公司，这些公司已经先后推出基于片上网络互连架构的多处理器芯片。第二，依靠在片上网络互连技术方面的优势，为众多半导体公司提供芯片互连架构设计方案及开发工具的公司，包括a r t e r i s 、s i l i s t i x 、i n o c s 、a l t e r a 等公司。i n t e l 公司 2 3 1 曾在2 0 0 7 年推出了一款8 0 核的多核处理器原型芯片，t e r a f l o pr e s e a r c hc h i p t 2 4 】【2 卯，该款芯片采用6 5 r i mc m o s 工艺，通过将8 0 个同构的通用微处理器核按照2 维的1 0 8m e s h 结构互连而成。在2 0 0 9 年i n t e l 公司又推出了另6基于可重配置路由器的片上网络研究一款集成4 8 个同构的通用微处理器核的实验性处理器芯片s c c 【2 6 1 ，该芯片采用4 5 n mc m o s 工艺，通过6 * 4 的2 维m e s h 拓扑结构实现处理器核之间的互连。t i l e r a 公司【2 7 】推出的t i l e r a 系列多核处理器采用了多项独有的创新技术，显著的提高了多核嵌入式应用处理器的性能。t i l e r a 系列多核芯片包括集成6 4 个同构处理器核的t i l e 6 4 ，以及能够集成1 6 - - 1 0 0 个处理器核的下一代“位多核处理器的t i l e g x ，另外还有两款增强性的多核处理器t i l e p r 0 3 6 和t i l e p r 0 6 4 。t i l e r a系列多核处理器集成的每一个t i l e 都是一个完整的全功能处理器核，拥有独立的l l 和l 2c a c h e ，每个t i l e 通过内部无阻塞的交换矩阵与其它t i l e 相连接，从而形成一个高速、无阻塞的m e s h 网络，即t i l e r a 独有的i m e s h 结构片上网络。全球片上系统技术领导厂商之一的意法半导体s t 公司【2 s 】在2 0 1 0 年6 月推出了一款全新的微处理器架构s p e a r l 3 0 0 。该款芯片通过片上网络技术实现双核的a r mc o r t e x - a 9 与其它多个功能模块之间的互连，芯片采用低功耗的5 5 n mh c m o s 工艺制作，处理器运行速度高达6 0 0 删核。另外作为全球排名第一的片上通信网络i p 供货商的s o n i c s 公司【2 9 】也推出了多款基于片上网络的产品芯片，s o n i c s 所有片上网络产品都采用具有数据流服务的先进结构。s o n i c s 的主要片上网络产品包括：实现无阻断的外设互连的s o n i c s3 2 2 0s m a r t 芯片互连解决方案，基于s o n i c s 的a m b a 协议的互连网络s n a p ，利用交叉连接结构支持多线程和无阻断通信的s o n i c sl xs m a r t 互连解决方案，针对复杂多内核多子系统s o c 开发的s o n i c s s xs m a r t 互连解决方案，以及业界首款g h z 的片上网络芯片s o n i c s g n 。其中s g n 是s o n i c s 的第四代可配置片上网络芯片，其工作频率可达g h z 以上，应用于智能手机、移动通信和平板电脑等高端电子产品中。1 3 片上路由器研究现状路由器作为片上网络的核心部件，其结构决定着系统的整体性能。通常衡量片上网络性能优劣的主要指标包括时延，吞吐率，芯片面积和功耗等。路由器结构不同，片上网络也将获得不同的性能，设计高性能的路由器结构是片上网络研究的关键问题【3 们。针对上述四个性能指标，国内外研究人员在虫孔交换路由器的基础上提出了大量的改进技术，例如将v a 和s a 并行处理的投机仲裁s p e c u l a t i v ea r b i t r a t i o n 、前瞻路由l o o k - h e a dr o u t i n g t 3 、数据直通b y p a s s i n g 3 2 1 、快速虚信道e v c t 3 3 】【3 4 1 、虚拟输出队列v o q t 3 5 d 6 i ，以及动态缓存管型3 7 】【3 8 】【3 9 1 等。这些技术为设计各种高性能片上网络路由器提供了理论基础。片上路由器与i n t e m e t 路由器相比，其在性能、功耗、硬件开销等方面有更加严格的限制。片上路由器的内部结构根据功能不同，可以分为控制部分和数据第一章绪论传输部分。控制部分实现片上网络的交换机制、流控策略、路由算法、调度机制等控制机制，这些控制机制影响着整个系统数据通信的时延和吞吐性能。数据传输部分主要由缓存、c r o s s b a r 交换开关，以及一些x ，d e m u x 组成，它们在控制部分的管理下实现路由器的数据转发功能。路由器采用高性能的控制机制能够有效地提高片上网络的数据传输能力，但是通常也会增加电路结构的复杂度，导致路由器占用芯片面积和功耗的增加。而功耗正是制约芯片设计的主要因素之一 4 0 1 1 4 1 】【4 2 】，在i n t e l 的8 0 核t e r a f l o p s 处理器中，互连网络的功耗占芯片总功耗的2 8 ，远大于预期的1 0 。片上路由器缓存的功耗在互连网络总功耗中占据很大的比重，但是增加缓存空间能够有效的减少数据拥塞，提高片上网络的吞吐性能，因此路由器需要采用合理的缓存策略实现功耗和吞吐性能的折中。总体来看，对片上路由器最初的研究主要集中在低时延路由器【4 3 】m 】【4 5 】，低功耗路由器【蚓，路由器的缓存管理【4 。7 1 ，无死锁的自适应路由算法等方面【4 8 】。近年来，随着片上网络应用范围的不断扩大，人们对各种面向应用片上网络【4 9 】的研究也在不断深入。不同系统应用要求片上网络具有一些不同的功能，例如多媒体系统要求提供具有服务质量保障的数据传输能力，实时控制系统要求具有纠错能力或者在存在故障条件下正常工作的能力，一些协作通信系统比如s i m d系统，还要求能够提供点到点通信及多播通信的能力等。片上网络研究人员通过设计相应的路由器结构来实现这些新增加的功能。在提供q o s 保障的路由器中 5 0 1 5 1 】【5 2 1 ，通常将数据分为有服务质量保证的g s 数据和尽力而为的b e 数据，路由器采用c s w h 混合交换或者区分优先级的方式保证g s 数据的服务质量要求，同时为b e 数据提供尽力而为的服务。具有容错功能的路由器【5 3 】可以采用容错路由算法来解决节点或者链路故障，采用增加冗余资源解决节点内部故障，以及采用纠错码的方法来解决瞬时故障。具有多播功能的路由器斟】能够提高具有点到多点通信需求系统的通信效率，多播路由器需要合理的对多播分组进行复制，并且能够解决多播路由引起的死锁问题。目前对片上路由器的研究主要集中在静态配置的路由器结构。静态配置路由器中实现的路由算法、交换机制、调度机制、缓存策略等都是在芯片设计时确定的，针对特定的系统应用需要进行独立的设计，当系统的工作环境发生变化时，路由器不能够即时进行调整。静态配置路由器存在着可扩展性和灵活性差的缺点。动态可重配置路由器能够根据网络的即时状态，对路由器的工作模式进行调整，它解决了静态配置路由器在可扩展性和灵活性方面的不足，能够显著降低大规模片上网络的开发时间。动态可重配置路由器在具有多种应用的大规模片上网络中具有很大的研究价值。因为在这种多应用片上网络条件下，系统功能是多种不同应用的叠加，其通信特性变得难以预测。而基于拓扑生成和功能映射的设计方法，由于不能预先得到准确的系统通信特性，将无法获得最优的片上网络互连架构。8基于可重配置路由器的片上网络研究动态可重配置路由器只需要根据系统的即时通信特性对其工作模式进行调整，能够适应多应用片上网络多变的通信特性，使片上网络获得近似最优的性能。片上网络可重配置路由器目前的研究成果主要包含下面两个方面：第一，端口状态可重配置的路由器【5 5 1 。由于面向应用片上网络具有不均匀的通信特性，某些l p 核之间有很大的通信量，而其它一些i p 核之间并不存在通信，为了降低时延和功耗，可以采用一种可重配置的拓扑结构，根据系统通信特性配置路由器之间的连接关系。在这种可重配置拓扑结构的片上网络中需要路由器端口的连接与否是可重配置的；第二，内部参数可重配置的路由器【蚓。该类路由器能够根据网络流量状况动态配置路由器的内部参数，可以配置的参数主要包括缓存深度、虚信道数目、链路带宽等。1 4 可重配置的片上网络静态配置的片上网络由于不能够根据系统的应用需求动态的调整其工作状态，因此在灵活性和可扩展性方面差于可重配置片上网络。针对目前多核片上系统的可重配置需求，研究人员先后提出了多种具有可重配置功能的片上网络平台。d v n o c 是德国u n i v e r s i t yo f e r l a n g e n - n u r e m b e r g 的研究人员于2 0 0 5 年提出的一种动态可重配置片上网络【5 7 1 。d y n o c 针对特定应用需求的片上系统设计，由于不同系统连接的i p 核在尺寸大小上存在很大的差异，无法将其按照m e s h 等规则拓扑在芯片上布局，d y n o c 在m e s h 结构片上网络的基础上，根据系统的实际情况实现不同尺寸i p 核的互连，它能够针对系统应用不同动态的调整片上网络的通信架构。为了实现不规则拓扑片上网络的数据通信，d y n o c 采用了一种无死锁的s x y 路由算法。将d y n o c 实现在x i l i n xv i r t e xi if p g a 上验证其能够正常工作。r e n o c 是丹麦t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo fd e n m a r k 的研究人员在2 0 0 8 年提出的一种基于可重配置拓扑结构的片上网络【5 引。r e n o c 能够根据运行在片上网络中的系统应用特性对拓扑结构进行调整，包括在i p 核之间插入长链路和直通链路。r e n o c 采用了一个分层的路由器结构，在路由器的周围有一个可以动态配置的拓扑开关，通过对拓扑开关的配置选择分组通过路由器传输或者绕过路由器直接传输到下一跳的节点。r e n o c 对拓扑结构的配置通过更新拓扑开关的状态进行，而对拓扑开关状态的更新则基于电路交换的控制分组来实现。使用r e n o c 实现一个v o p d 系统，当路由器工作在1 0 0 m h z 的频率下时，路由器每条信道能够获得2 4g b i t s s 的带宽，信道位宽为3 2 比特。在9 0 n m 的标准工艺下实现5 * 5 的r e n o c路由器，其占用的芯片面积为0 0 6 1 删午，功耗为传输每个分组消耗3 2 p j 。d r n o c 是西班牙u n i v e r s i d a dp o l i t 6 c n i c ad em a d r i d 的研究人员在2 010 年提出的一种可重配置片上网络结构【5 9 1 。d r n o c 通过采用可重配置的路由单元r r m 和第一章绪论9可重配置的网络接口r n i ，可以满足多种不同的系统应用需求。通过对d r n o c进行配置可以实现点到点通信、点到多点通信、基于异构片上网络的通信等。d r n o c 采用基于x m e s h 的拓扑结构进行设计，由于增加了交叉链路，d r n o c具有较好的连通性。a d n o c 是德国u n i v e r s i t yo fk a r l s r u h e 的研究人员在2 0 11 年提出的一种运行时自适应片上网络结构唧】。a d n o c 是一种在体系结构级具有自适应性的可重配置片上网络，它采用一种自适应路由分配算法w x y 路由算法和一种基于服务质量保证的动态缓存分配机制。a d n o c 的最大优势在于能够根据片上网络的带宽需求动态利用路由器的缓存空间，与静态配置的片上网络相比，a d n o c 路由器的缓存资源利用率更高，而且在相同的系统性能下，a d n o c 能够降低4 2 的缓存空间。另外d r a f t 6 ，c u n o c l 6 2 】，m e t a w i r e 6 3 1 ，a c e n o c s 6 4 1 ，d a r t 6 5 1 ，h e m p s s 惭】，b i n o c 6 7 l 等可重配置片上网络结构也具有一定的研究价值。动态可重配置片上网络能够提高s o c 的灵活性和可扩展性，缩短多核芯片的开发周期，特别是针对未来大规模多应用的片上网络能够获得近似最优的性能。但是，现有的可重配置片上网络并不能涵盖多核系统的所有应用需求，同时也缺乏一个针对片上网络应用背景下能够普遍适用的动态可重配置片上网络设计方法和设计流程。本文重点研究片上路由器的电路结构和工作原理，分析高性能的路由器控制机制设计方法，并在此基础上提出一种i p 核与路由器之间动态接入的可重配置路由器d c r o u t e r 。通过将可重配置的d c r o u t e r 应用到i p 核与路由器多对多互连的e m e s h 结构片上网络中，本文提出了一种基于可重配置路由器的片上网络结构d c n o c 。1 5 论文内容及结构安排本章概括的介绍了片上网络的设计思想及其所涉及的关键理论，以及目前主要的理论研究成果和商业应用情况，总结了片上路由器的研究现状和主要设计思想，分析了可重配置片上网络的研究成果和存在的不足。接下来章节论文的内容安排如下：第二章研究片上路由器的基本结构，具体内容包括：虫孔路由器和虚信道路由器的工作原理、内部构成、时延分析等问题。本章通过性能仿真分析的方法对比两种路由器在不同参数配置下的时延吞吐性能，并给出一组虚信道路由器的最佳参数配置方法。第三章研究片上路由器的主要控制机制，包括流量控制机制，解决数据竞争的调度算法和计算数据传输路径的路由算法。本章总结分析了当前片上网络路由器所采用的主要控制机制，并提出相应的改进方案。在构建片上网络热量模型的l o基于可重配置路由器的片上网络研究基础上，本章提出了一种自适应的片上网络热量均衡路由算法d t b r ，性能仿真结果表明该热量均衡路由算法在热量均衡特性以及时延吞吐性能方面，与现有多种路由算法相比都具有明显的优势。第四章提出基于可重配置路由器的片上网络d c n o c 的设计方案，内容包括：采用一种基于i p 核和路由器之间多对多互连的e m e s h 拓扑结构，该拓扑结构与m e s h 、c m e s h 、x m e s h 等拓扑结构相比具有低时延和高吞吐的性能；在e m e s h拓扑结构的基础上，提出基于e m e s h 结构的可重配置片上网络设计方案；设计了i p 核接入信道数目和接入方式可重配置的路由器结构d c r o u t e r ；提出d c n o c 的整体结构，包括其节点编码规则、分组格式、i p 核接入控制等：通过性能分析和硬件电路对比的方法，将d c n o c 与m e s h 、c m e s