緩解熱點的片上網絡拓撲結構制造技術

本發明專利技術屬于集成電路領域，為實現以傳統的2D-Mesh拓撲的基礎的新型二維拓撲結構，在不顯著增加面積的情況下緩和網絡中央的熱點，減少擁塞幾率，提升吞吐率，降低延時，緩解熱點的片上網絡拓撲結構，在包括R0-R24共25個路由器的5x5的網絡中選取R7、R11、R12、R13和R17作為緩沖路由，即移除它們的本地IP連接，取而代之的是將R7、R11、R13和R17順次連在一起；對于R12，在移除其與本地IP的通信端口后，僅保留水平和豎直四個方向的通道；R7、R11、R13和R17上設置有仲裁器用于根據優先級將高優先級的數據包通過交叉開關連接。本發明專利技術主要應用于集成電路的設計制造。

【技術實現步驟摘要】
緩解熱點的片上網絡拓撲結構
本專利技術屬于集成電路領域，特別地，涉及多核片上系統(SystemonChip,SoC)設計中的片上網絡(NetworkonChip,NoC)；具體講，涉及緩解熱點的片上網絡拓撲結構。技術背景片上網絡是片上系統中IP核通信的子系統，跨越同步和異步時鐘域或者非鐘控邏輯。片上網絡在片上通信中應用網絡理論和方法，使系統的性能相對傳統的總線結構有了顯著的提升。片上網絡包括三個基本要素：拓撲、路由算法和數據流控制。拓撲結構即節點或路由器的組成形式，目前包括2D-Mesh、蝶形、樹形、環形等等。其中最為傳統且使用最普遍的就是2D-Mesh，一個典型的5x52D-Mesh片上網絡如圖1所示。R0-R24表示25個路由器，N0-N24則表示本地節點或處理單元。每個路由器(不含邊界)有五個端口，其中4組端口分別與四個方向的相鄰路由器相連，還有一組端口與本地IP核相連。然而，對于這樣的系統，當工作在隨機的網絡交通下(即每個節點向其他節點發送數據的概率是相等的)時，在網絡的中央部分，例如R7、R11、R12、R113和R17，容易產生大量的數據交換，或者說形成熱點。這樣，當數據包無法請求到其所需要的帶寬時，網絡容易發生擁塞，進一步降低了系統的吞吐率增大了延時。特別地，由于目前處理器由單核到多核甚至眾核的發展，網絡交通便顯得更加重要。當前用于緩解熱點和擁塞的方法主要是改進路由算法，采取自適應的方式以緩解網絡的局部壓力，然而為了實現自適應需要額外的電路面積，功耗也會增加。
技術實現思路
為克服現有技術的不足，以傳統的2D-Mesh拓撲的基礎的新型二維拓撲結構，在不顯著增加面積的情況下緩和網絡中央的熱點，減少擁塞幾率，提升吞吐率，降低延時。為此，本專利技術采取的技術方案是，緩解熱點的片上網絡拓撲結構，在包括R0-R24共25個路由器的5x5的網絡中選取R7、R11、R12、R13和R17作為緩沖路由，即移除它們的本地IP連接，取而代之的是將R7、R11、R13和R17順次連在一起；對于R12，在移除其與本地IP的通信端口后，僅保留水平和豎直四個方向的通道；R7、R11、R13和R17上設置有仲裁器用于根據優先級將高優先級的數據包通過交叉開關連接。對于4x4共16個路由器的片上網絡，中央四個路由器R5、R6、R9和R10作為緩沖路由器，移除其與本地IP的通信端口，并設置有仲裁器用于根據優先級將高優先級的數據包通過交叉開關連接。對于3x3共9個路由器的片上網絡，將中央的R4作為緩沖路由器，移除其與本地IP的通信端口，并設置有仲裁器用于根據優先級將高優先級的數據包通過交叉開關連接。對于10x10或更多的大型的NxN片上網絡，將整個網絡劃分成低階的5x5、4x4、3x3的mesh網絡，并分別按前述結構組成相應的緩沖路由器結構。與已有技術相比，本專利技術的技術特點與效果：本專利技術提出的改進型2D-mesh片上網絡突破了以往通過改變路由算法緩和熱點的策略，從拓撲結構上加以修正，使得網絡中數據包傳輸的自由度更高，形成一種半自適應的路由方式。當數據包在下一級路由器無法請求到足夠的帶寬時，能夠繞過熱點路由器，在盡量不增加跳數的情況下從其他路徑傳至目標路由，能夠有效的防止擁塞，提高吞吐率和改善延時，系統性能得到提升。附圖說明圖1標準5x52D-mesh片上網絡。圖2緩和熱點的5x52D-mesh片上網絡。圖3單一路由器模型。圖4基于交叉開關的路由器架構。圖5緩和熱點的4x42D-mesh片上網絡。圖6緩和熱點的3x32D-mesh片上網絡。圖7大型mesh片上網絡。具體實施方式本專利技術將2D-mesh網絡中的中央部分節點加以修正以緩解數據交換的壓力。我們這里以5x52D-mesh網絡為例(但專利技術不限于5x5可擴展至NxN或MxN網絡)來闡釋本專利技術。本專利技術的整體框架如圖2所示，在5x5的網絡中選取R7、R11、R12、R13和R17作為緩沖路由，即移除它們的本地IP連接(圖3所示的Local連接)，取而代之的是將R7、R11、R13和R17順次連在一起。對于單一的路由器，其對架構如圖4所示。其中，當數據包到達某一路由器的某輸入端口Ii時，數據包會請求某一輸出端口Oj，若有多個數據包同時請求Oj，則仲裁器便根據優先級將高優先級的數據包通過交叉開關Oj連接，這樣變完成了數據包在路由器內部的傳輸。圖4中，k的值對應路由器的輸入輸出端口組數，在本專利技術中，R7、R11、R13和R17中k值為5，即有六組輸入輸出，R12的k值為3，即有四組輸入輸出。在本專利技術中，相比傳統的5x5網絡(圖1)所做的改變是，對于中央路由器R7、R11、R13和R17，它們不僅在水平方向(x和-x)和豎直方向(y和-y)與其它相鄰路由器可以進行直接數據交換，還在斜向互相有直接的數據通道，例如R7通過斜向的兩組輸入輸出端口與R11和R13可以直接進行數據交換，R11、R13和R17同理。對于R12，為了保持系統的對稱以及避免硬件實現過于復雜，在移除其與本地IP的通信端口后，僅保留水平和豎直四個方向的通道。說明書附圖4，是通用的路由器架構，專利技術中所有的路由器都采用此架構。關于仲裁器：仲裁器存在于所有的路由器上，不同位置的路由器具有不同數目的輸出端口數目，因此仲裁器需要根據端口數目進行相應的改變，可以成為IP軟核。不只是R7、R11、R13和R17，所有的路由器都有交叉開關部分。仲裁器都會將高優先級的數據包通過交叉開關連接。仲裁器與本地IP核不同，本地IP核通常指的是功能復雜處理器或處理單元。仲裁器只是電路的一個簡單功能模塊。對于4x4的片上網絡，如圖5所示，其邊界12個路由器按照圖3所示的方式連接，中央四個路由器(R5、R6、R9和R10)的結構則與5x5網絡中的R12相同，作為緩沖路由器。對于3x3的片上網絡，由于其本身數據量較小，通常情況下按照傳統的2D-mesh連接方式即可，在某些特殊的數據交通模型下，如果必要可以將中央的R4按上說方式處理，即移除IP的連接端口，僅保留四個方向上與相鄰路由器的數據通信(圖6)。當面對大型的NxN片上網絡時(10x10或更多，例如圖形處理器陣列)，我們可以根據網絡的通信情況，將整個網絡劃分成部分低階的mesh網絡。如圖7所示，給出了一個大型NxN的mesh片上網絡，我們將其劃分成為若干個區域。當某一部分，或某幾個路由器數據交換的壓力很大時，便用上文提到的緩和熱點的拓撲結構代替該區域網絡，緩解壓力。例如，圖7中虛線框區域是一個5x5的mesh網絡，工作時需要產生大量的數據交換，我們用圖2所示的網絡代替這片區域，來達到減少熱點產生幾率的目的。由上述可以發現，本專利技術有以下三點優勢：(1)首先，本專利技術所描述的網絡沒有了中央數據源，能夠一定程度的避免熱點，防止擁塞；(2)其次，對于5x5的網絡中對于路過中央的數據包因為R7、R11、R13和R17的通道可以減少數據包從源頭到目標路由的最小跳數(hopcount)，仍以5x5為例，當一個數據包要從R7發送至R18，如果采用傳統的X-Y方式傳輸，且R8處于忙碌狀態(即被其他數據包占用)時，數據包便需要從R7中等待直到R8空閑。若采用本專利技術中的結構，數據可以通過斜向直接經R13傳向R18，這樣本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種緩解熱點的片上網絡拓撲結構，其特征是，在包括R0?R24共25個路由器的5x5的網絡中選取R7、R11、R12、R13和R17作為緩沖路由，即移除它們的本地IP連接，取而代之的是將R7、R11、R13和R17順次連在一起；對于R12，在移除其與本地IP的通信端口后，僅保留水平和豎直四個方向的通道；R7、R11、R13和R17上設置有仲裁器用于根據優先級將高優先級的數據包通過交叉開關連接。

【技術特征摘要】
1.一種緩解熱點的片上網絡拓撲裝置，其特征是，在包括R0-R24共25個路由器的5x5的網絡中選取R7、R11、R12、R13和R17作為緩沖路由器，即移除它們的本地IP連接，取而代之的是將R7、R11、R13和R17本地IP通信端口順次連在一起；對于R12，在移除其與本地IP的通信端口后，僅保留水平和豎直四個方向的通道；R7、R11、R13和R17上設置有仲裁器用于根據優先級將高優先級的數據包通過交叉開關連接。2.一種緩解熱點的片上網絡拓撲裝置，其特征是，對于4x4共16個路由器的片上網絡，中央四個路由器R5、R6、...

【專利技術屬性】
技術研發人員：史再峰，楊浩宇，龐科，李斌橋，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津;12