[發(fā)明專(zhuān)利]一種可共享和自配置緩存的路由器結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410253106.2
• 申請(qǐng)日: 2014-06-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104022950B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 虞志益;周煒;俞劍明;林杰;朱世凱
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H04L12/701
• 分類(lèi)號(hào): H04L12/701;H04L12/721;G06F15/173
• 代理公司: 上海正旦專(zhuān)利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,盛志范

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于可靠性片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于片上網(wǎng)絡(luò)的可共享和自配置緩存的路由器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著芯片規(guī)模不斷增大和生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，基于總線的SoC架構(gòu)的缺點(diǎn)越來(lái)越明顯，1）吞吐量和帶寬限制，使得總體通信效率低；2）總線能量消耗大，能量利用效率低，且信號(hào)延時(shí)增大；3）隨著集成度的不斷增加，芯片線間和不同金屬層間信號(hào)串?dāng)_等越來(lái)越嚴(yán)重；4）需要全局同步；5）可擴(kuò)展性差。這些缺點(diǎn)使得SoC己經(jīng)在一定程度上不能滿足超深亞微米下，超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)對(duì)吞吐率、延時(shí)、功耗、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性以及上市時(shí)間的要求，而NoC有著較好的擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證復(fù)雜度明顯降低，并且可以實(shí)現(xiàn)全局異步局部同步（GALS）。同時(shí)，隨著片上網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，特定應(yīng)用對(duì)片上網(wǎng)絡(luò)的吞吐率和數(shù)據(jù)路由延遲提出了更高的要求，如高效視頻編碼(High Efficiency Video Coding, HEVC)，大量的圖像數(shù)據(jù)需要在各個(gè)處理器之間傳輸，這對(duì)路由器的性能是一個(gè)挑戰(zhàn)，急切需要一種能夠緩解該問(wèn)題的新結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，在典型的容錯(cuò)路由系統(tǒng)中，在很多特定應(yīng)用中，通信模式呈現(xiàn)出局部高負(fù)載全局低負(fù)載的模式，這樣就使得很多的路由器緩存單元處于空閑狀態(tài)，但是有些卻處于高負(fù)載的忙碌狀態(tài)，這種負(fù)載的不均衡導(dǎo)致NoC系統(tǒng)的高吞吐率特性受到限制，因此急需一種能夠解除這種限制的防擁堵路由系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種應(yīng)用于片上網(wǎng)絡(luò)的一種負(fù)載均衡的、可共享和自配置緩存的路由器結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所提出的可共享和自配置緩存的路由器結(jié)構(gòu)，主要由下述六個(gè)模塊組成：緩存單元、路由計(jì)算單元、交換開(kāi)關(guān)、仲裁器、鄰近通道狀態(tài)監(jiān)視器和本地通道狀態(tài)監(jiān)視器，具體如圖1。與傳統(tǒng)的路由器相比，緩存單元增加了兩個(gè)先入先出隊(duì)列，以增加路由器各端口先入先出隊(duì)列的可配置性和共享性；為實(shí)現(xiàn)可共享和自配置的功能，每個(gè)路由器增加了鄰近通道狀態(tài)監(jiān)視器和本地通道狀態(tài)監(jiān)視器。各個(gè)模塊的具體結(jié)構(gòu)和功能如下：

（1）路由器的東南西北四個(gè)端口分別含有一個(gè)緩存單元，緩存單元用于完成路由器之間的握手通信，也用于緩存各個(gè)輸入端口的數(shù)據(jù)；緩存采用先入先出隊(duì)列，可以實(shí)現(xiàn)異步通信，具體結(jié)構(gòu)如圖2。每個(gè)緩存單元包含三個(gè)先入先出隊(duì)列，其中一個(gè)先入先出隊(duì)列（FIFOa）的容量是其余兩個(gè)（FIFOb，F(xiàn)IFOc）的兩倍。而整個(gè)片上網(wǎng)絡(luò)所有的路由器的所有FIFOa組成虛擬通道0，所有的路由器的所有FIFOb和FIFOc組成虛擬通道1，但相鄰路由器之間的只有一個(gè)物理通道。虛擬通道0采用的是擴(kuò)展東向最后路由算法，而虛擬通道1采用的是擴(kuò)展西向最后路由算法。擴(kuò)展東向最后路由算法表明東向數(shù)據(jù)路由必須是最后一跳或最后多跳，同理，擴(kuò)展西向最后路由算法表明西向數(shù)據(jù)路由必須是最后一跳或最后多跳，如圖3，這樣可以有效的保證這兩個(gè)算法的免死鎖特性。為了防止數(shù)據(jù)在兩個(gè)通道之間路由出現(xiàn)死鎖，規(guī)定虛擬通道0的數(shù)據(jù)可以發(fā)送到虛擬通道1，但虛擬通道1的數(shù)據(jù)不可以發(fā)送到虛擬通道0，如圖4。

如圖2所示，每個(gè)端口的緩存單元都含有五對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)鏈路，分別為鄰近路由器輸入到該端口的數(shù)據(jù)鏈路和該端口緩存單元輸出到路由計(jì)算單元的數(shù)據(jù)鏈路（1對(duì)）、本地路由器鄰近端口到該端口的輸入輸出數(shù)據(jù)鏈路（2對(duì)）以及該端口到本地路由器鄰近端口的輸入輸出數(shù)據(jù)鏈路（2對(duì)）。利用這五對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)鏈路，該端口的緩存單元可以靈活地使用鄰近端口的先入先出隊(duì)列，提高繁忙端口的吞吐率和降低片上網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)路由延遲。

如圖2所示，每個(gè)端口的緩存單元包含4對(duì)數(shù)據(jù)選擇器，分別實(shí)現(xiàn)：1）依據(jù)路由器的路由算法，選擇虛擬通道0或者虛擬通道1；2）根據(jù)當(dāng)前局部的通道擁堵?tīng)顟B(tài)信息，在兩個(gè)鄰近端口的FIFOc、該端口的FIFOc和FIFOa的中選擇可用的先入先出隊(duì)列緩存虛擬通道0中的數(shù)據(jù)；3）根據(jù)FIFOb和FIFOc是否被共享，選擇FIFOb和FIFOc緩存虛擬通道1中的數(shù)據(jù)；4）FIFOc在兩個(gè)鄰近端口的輸入數(shù)據(jù)、該端口虛擬通道0的數(shù)據(jù)和該端口虛擬通道1的數(shù)據(jù)中，選擇其需要緩存的數(shù)據(jù)。所有選擇器的控制信息由鄰近通道狀態(tài)監(jiān)視器產(chǎn)生。

（2）路由器的東南西北四個(gè)端口分別含有一個(gè)路由計(jì)算單元，路由計(jì)算單元根據(jù)當(dāng)前局部的通道擁堵?tīng)顟B(tài)信息，結(jié)合路由器的路由算法，計(jì)算出合適的輸出端口，向仲裁器請(qǐng)求獨(dú)占輸出端口。

（3）仲裁器根據(jù)各個(gè)端口的請(qǐng)求，依據(jù)wavefront的仲裁機(jī)制，為每個(gè)請(qǐng)求合理分配輸出端口，避免出現(xiàn)饑餓；數(shù)據(jù)交換開(kāi)關(guān)根據(jù)仲裁器的分配方案，將各個(gè)端口的緩存在緩存單元的數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的輸出端口。