[發明專利]用于片上網絡的帶控制信號的低功耗路由器

無效

• 申請號: 201110155812.X
• 申請日: 2011-06-10
• 公開（公告）號: CN102195891A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 洪琪;曹偉;王穎;王伶俐
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H04L12/56
• 分類號: H04L12/56;H04L12/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于片上網絡技術領域，具體涉及一種用于片上網絡的低功耗路由器。

背景技術

隨著集成電路工藝的進步，2010年的主流產品工藝已經是65nm，基于更高工藝45nm和32nm的芯片也已經問世。單處理器片上系統（Systom?on?Chip，SoC）已經無法滿足日益增長的功能和性能指標，需要將多個處理器和存儲單元等IP核集成到一塊芯片內。現今的SoC主要用總線來實現各計算模塊間的互連和通信。為了滿足片上日益增長的通信需求，總線技術也在不斷改進，逐漸從單一的共享總線發展為多總線的橋接，進而演變到層次化總線等更復雜的結構。

當多處理器片上系統（Multi-processor?Systom?on?Chip，MPSoC）[1]中的IP(Intellectual?Property)核越來越多時，總線結構將難以滿足以下要求：

（1）可擴展性問題。隨著片上IP核的增多，數據處理量也成倍增多，有限的地址資源將成為擴大電路規模的瓶頸。一條總線無法支持一對以上的節點同時通信，效率很低。層次化總線雖然可以緩解這個問題，但當片上IP核的數目進一步增多（比如上百個），顯得無能為力。

（2）單一時鐘同步問題。總線結構要求全局同步但是隨著工藝特征尺寸的縮小，工作頻率迅速上升，達到10GHz以后，互連線延時造成的影響將嚴重到無法設計全局時鐘樹。另外，龐大的時鐘網絡將占據芯片的大部分功耗。

為了有效解決未來MPSoC中多核之間復雜的通信問題，借鑒計算機網絡和并行計算領域的研究成果，逐漸出現了一種全新的設計方法——片上網絡（Network?On?Chip，NoC）[3]。2000年瑞典皇家理工學院Ahmed?Hemani第一次提出這個概念，并予以定義：片上網絡是由計算單元、存儲單元、?I/O?接口構成的，并且通過路由器連接的網絡。也有部分學者將2001年斯坦福大學的Dally教授的一篇文章作為NoC的發端。

采用NoC具有以下優點：

（1）解決了連線過長延時太大的問題：NoC設計采用全局異步、局部同步（Globally?Asynchronous?Locally?Synchronous，GALS）的機制，每一個處理單元都有自己的時鐘域；并且可以根據需要關閉某些暫時不用的模塊，減少了功耗。

（2）彌補集成電路（Integrated?Circuits，IC）設計和制造的技術差：綜合和編譯技術落后于IC制造技術的發展，形成了所謂的“剪刀差”，這就使得重新設計一個更大規模的芯片更加困難，而采用片上網絡的方式，通過重用很多已有的軟硬件模塊，可以明顯提高設計速度，縮短設計周期。

（3）容錯性好：芯片作為一個有機整體，如果其中一個部件發生錯位，可能會使整個芯片陷于癱瘓，而使用片上網絡，出錯的部件可以用其他相同的部件代替，使得整個芯片能夠繼續正常工作。

（4）適用于多核處理器：多核系統中的總線受帶寬限制，擴展性已經出現瓶頸。片上網絡利用傳統計算機網絡概念來管理多個IP核之間的數據通訊，不僅具有更好的可擴展性、并行性，并且可以避免長線，單元之間的連線很短，成為單芯片系統的發展方向。

（5）各個處理單元的片上互連一般都通過一個路由器，它是互連網絡中必不可少的模塊，用于連接各個處理單元、決定數據的傳輸線路與傳輸方式。?設計一種既能提供快速通訊服務，又能減少所用的面積、功耗的路由器是基于mesh結構的片上互聯的熱點研究內容之一。

數據的傳輸是通過數據包來實現的，源處理單元(process?element,?PE)發出一個數據包到相鄰的路由器(Router)，數據包經路由器的轉發傳播到目標處理單元。一個數據包(packet)包括包頭、包身、包尾，如圖2所示，每個周期傳輸數據包中的一個微片(flit)。一個數據包一般包含幾十個微片，個數可固定也可不固定，微片個數嚴重影響包傳輸延時。

如圖3所示，路由器一般由以下模塊構成(不同的路由算法、網絡結構、流控制方式會有不同的構成)：

（1）緩沖器(buffer)：采用先進先出(first-in?first-out,?FIFO)方式來存儲數據，一般并行放置幾個緩沖器(也稱虛擬信道，將在下面介紹)。緩沖器可放置在輸入端口或輸出端口，但不同的放置可能會有不同的性能。

（2）鏈接控制器(Link?Controller,LC)，決定是否允許傳輸數據，如FIFO存儲滿或為空時，則停止繼續接收或發送數據。