一種適用於片上網絡的可配置交換機制的路由器的製作方法

2023-09-16 13:41:45

專利名稱：一種適用於片上網絡的可配置交換機制的路由器的製作方法
技術領域：
本發明屬於集成電路的片上網絡技術領域，具體涉及一種適用於片上網絡的可配置交換機制的路由器。
背景技術：
近年來，隨著半導體工藝水平和集成電路設計技術的飛速發展，以軟硬體協同設計、IP復用和超深亞微米技術為支撐的SoC設計方法逐漸成為超大規模集成電路(VLSI)的主流設計技術。人們在一個晶片上集成一個或者更多的IP核成為現實。與此同時，提升單核的性能變得越來越困難，為此人們提出了多核的設計方法，採用多個低功耗的單核協同工作，以面積來換取性能的提升及功耗的降低。在未來大規模應用的一塊晶片中可能集成幾十甚至上百個IP核，IP核之間的互聯和通信變得越來越複雜，傳統的總線結構已經很難滿足晶片模塊間的通 目需求，存在著諸多的局限性。而片上網絡(Network-on_chip, NoC)由於優良的並行性、可擴展性和較高的通信效率，成為多核處理器系統最理想的互聯結構。片上網絡的路由模塊負責各IP核之間的連接和通信，是片上網絡的拓撲結構、路由算法、交換機制、流控機制、仲裁算法、服務質量、容錯性能的硬體實現單元，對系統的數據吞吐率、通信延時、面積、功耗等有著舉足輕重的作用。片上網絡中，交換機制決定著一段數據以怎樣的方式從源節點出發，通過路徑上的各交換節點最終傳輸到目的節點的過程，交換機制直接影響著網絡的延時、吞吐率和能
量效率。電路交換(Circuit Switch)是一種面向連接的交換機制。它要求每次傳輸數據前都要在源節點和目的節點之間建立一條物理專用鏈路。一次完整的電路交換分為4個階段，首先源節點向網絡 中發送一個含有源地址和目的地址信息的建立包，該建立包根據路由算法邊路由邊建立路徑，最終到達目的節點。接著，目的節點向源節點返還一個應答包，表示通信路徑已經完整建立，可以傳輸。當源節點收到此應答包後，正式的數據傳輸開始，直到發送完畢。最後，源節點向目的節點發送一個釋放包，釋放包沿著之前建立的路徑邊路由邊釋放已佔鏈路，供其他數據傳輸使用。包交換(Packet Switch)是一種無連接的交換機制,它並不要求源、目的節點在數據正式發送前建立一個類似硬連線的電路連接，而是將數據(或稱消息Message)切割成幾組(或稱數據包Packet)，每個Packet含有一定長度的微片(flit)，微片的位寬和通道寬度相同。每個數據包的第一個微片為包頭，含有源地址、目的地址、包長等信息。然後每組數據在網絡中邊路由邊前進。在通信與多媒體應用下，通過挖掘程序的任務級並行性，可將程序映射到多核處理器中。在程序工作時，核間通信的數據長度多則上百甚至上千字(Word)，少則幾個字(Word)0假設一個片上網絡只支持電路交換機制，則傳輸幾個字時的建鏈和拆鏈所花費的時間遠高於實際數據傳輸所用的時間，造成延時增大；若假設只支持包交換機制，在發送大量數據前會拆分成多個小的數據包，並在每個數據包前加一個含有地址信息的包頭，這樣一方面每個數據包的路由延時累加會帶來不小的延時，另一方面額外增加的包頭也會導致傳輸的有效數據率下降。所以，單一的交換機制不可能使片上網絡在面向所有情況下的數據通信達到性能最優，在實際應用中，NoC需要能夠同時支持電路交換和包交換兩種通信的交換機制，它們具體的應用的情形如下:
包交換應用於:1)少量數據傳輸，主要用來配置模塊、傳遞參數、同步電路等；2)偶然的突發的數據流傳輸，即不需要長時間佔用某一通道。電路交換應用於:1)大量數據流的傳輸；2)兩點間在某一時間段內頻繁地間斷的數據交換，即長時間佔用某一通道。

發明內容
本發明的目的在於提供一種適用於片上網絡的可根據發送數據的包長靈活地選擇不同交換機制(具體為電路交換(Circuit Switch)和包交換(Packet Switch)兩種交換機制)的路由器，並具有面積小、功耗低、通信效率高的優點。基於以上發明目的，本發明提出一種可配置交換機制的路由器。在目前通常用的路由器基礎上增加一個數據選擇器(MUX)和一些控制信號，使得路由器的交換機制可以配置為電路交換或者包交換。具體地說，通常用的路由器一般有以下模塊組成:輸入緩衝隊列、路由計算模塊、仲裁器和交換開關，具有東、南、西、北和本地5組埠，外部輸入的數據通過輸入緩衝隊列後送給交換開關，一般只支持單一的交換機制，如圖1所示。本發明提出的可配置交換機制的路由器，是在上述通常用的路由器的數據輸入埠增加一個二選一的數據選擇器(MUX)，外部輸入的數據分兩個支路，一個支路與MUX的一個埠連接，另一個支路通過輸入緩衝隊列後與MUX的另一個埠相連，如圖2所示。本發明提出的可配置交換機制的路由器，在電路交換機制下，設置包頭中相應的配置位，將MUX的輸出通道來源切換至外部輸入的數據，從而使數據不通過輸入緩衝隊列而直接輸出，同時關斷輸入緩衝隊列的時鐘，以節約功耗、降低延時。本發明提出的可配置交換機制的路由器，其電路交換的建立路徑配置包通過包交換方式路由，具有共用路由計算模塊，以減小硬體開銷。本發明提出的可配置交換機制的路由器，其在輸出仲裁方面設定電路交換請求包的仲裁優先級聞於包交換，以減少電路交換的阻塞等待時間，提聞網絡吞吐量、減少延時。本發明提出的可配置交換機制的路由器，其電路交換和包交換機制共用輸出交換開關，以減小硬體開銷。本發明提出的可配置交換機制的路由器，其數據包格式如圖3所示。其中，「建立」位作為路由器的交換機制模式的配置信號。「交換機制模式」信號一路與MUX的選擇端連接，另一路與時鐘「相與」後送給輸入緩衝隊列，可作為門控時鐘，降低系統功耗，如圖4所
/Jn o本發明的可配置交換機制的路由器，其工作過程如下:
(1)系統初始工作在包交換機制下，當有數據發送時，路由計算模塊去檢測包頭的「建立，，位。當此位為高電平時，表示將交換機制的模式配置為電路交換。此時將MUX輸出選擇來自外部的數據，並且將輸入緩衝隊列的時鐘關斷；
(2)當不同埠的路由計算模塊在同一時刻向某一埠的發出輸出請求時，優先響應電路交換建立包的申請。當電路交換建立包通過仲裁後，固定該交換通路的連接；
(3)當電路交換建立包到達目的節點時，目的節點向源節點發送一個應答包，表示鏈路建立完成。源節點接受到應答包後開始傳輸數據，並在最後一個數據包時將「釋放」位拉高，釋放鏈路資源，結束一個電路交換傳輸數據的過程；
(4)當有數據發送時，路由計算模塊去檢測包頭的「建立」位。當此位為低電平時，表示將交換機制的模式保持為包交換。此後，數據包通過輸入緩衝隊列發送，並且緩衝隊列時鐘正常工作。傳統的路由器只支持單一的交換機制，靈活性不強。本發明的優點在於充分挖掘硬體的復用性，可在不明顯增加電路總面積的前提下根據數據包長靈活地選擇不同的交換機制，從而充分發揮了兩種交換機制在各自特定包長下的通信效率和能量效率的優勢。


圖1片上網絡路由器的通常組成結構。圖2可配置交換機制的路由器結構。圖3數據包格式示意圖。圖4「交換機制模式信號」控制電路圖。
具體實施例方式可配置交換機制路由器的數據包分為以下類型:包交換的包頭、數據體包，電路交換的建立包、應答包、數據體包、釋放包。除了數據體包，其它包的格式是一樣的，如圖3所示。釋放位只在電路交換過程中有意義，當其為高電平時表示釋放包，其餘時間為低電平；對於包交換中的包頭，若建立 位為1，則為電路交換建立包，若應答位為1，則為應答包，若建立位和應答位都為0,則為包交換的包頭。源地址和目的地址都是6位,高三位為Y坐標，低三位為X坐標。包長為5位，表明包交換一次發送的微片數目包括頭微片長度最大為31。可配置交換機制的路由器初始工作在包交換模式，此時若需要通過包交換方式向某一節點發送n (n〈31)個微片的數據，則先發送一個頭微片，釋放、建立、應答位都為0，源地址為本地地址，包長為包括頭微片的數量，接著發送體微片，即有效數據。當一個中間結點收到頭微片時，通過解析目的地址進行路由計算後申請一個輸出埠，這個輸出埠會一直保持下去，直到後面的體微片發送完畢。當需要使用電路交換方式時，則先向網絡發送一個建立包，它和正常頭微片的區別是建立位為1、包長為5』 blllll，之後建立包會邊路由邊建立路徑，同時將沿途路由器切入電路交換模式以及將相應埠的輸入緩衝隊列的時鐘關斷，直到建立包到達目的節點。到達後，目的節點將建立包的源地址和目的地址互換並將應答位置1、建立位清零、包長設為I後改造成應答包發送出去。源節點在收到應答包時可確認該路徑建立成功，於是開始發送數據。數據在已經建立好的從源節點到目的節點之間的組合邏輯路徑高速無阻塞地傳輸，在發送最後一位數據時將釋放位置1，則最後一個數據邊傳輸邊釋放路徑，路由器切回至包交換模式。當不同埠的路由計算模塊在同一時刻向某一埠的發出輸出請求時，以及當某一埠正在發送數據時有新的輸出請求出現時，本埠需要按照一定規則僅響應其中的一個請求。這個規則就是仲裁算法，由仲裁器實現。本發明採用了改進的輪詢仲裁算法，即優先查詢電路交換的建立包申請，再按照固定的順序輪流查詢各個埠的請求信號。這樣可以減少埠的空閒佔用時間，降低鏈路資源競爭的概率。
權利要求
1.一種適用於片上網絡的可配置交換機制的路由器，有以下模塊組成:輸入緩衝隊列、路由計算模塊、仲裁器和交換開關，具有東、南、西、北和本地5組埠，其特徵在於:在數據輸入埠增設一個二選一的數據選擇器，外部輸入的數據分兩個支路，一個支路與所述數據選擇器的一個埠連接，另一個支路通過輸入緩衝隊列後與所述數據選擇器的另一個埠相連。
2.根據權利要求1所述的可配置交換機制的路由器，其特徵在於在電路交換機制下，設置包頭中相應的配置位，將所述數據選擇器的輸出通道來源切換至外部輸入的數據，從而使數據不通過輸入緩衝隊列而直接輸出，同時關斷輸入緩衝隊列的時鐘，以節約功耗、降低延時。
3.根據權利要求2所述的可配置交換機制的路由器，其特徵在於電路交換的建立路徑配置包通過包交換方式路由，具有共用路由計算模塊，以減小硬體開銷。
4.根據權利要求3所述的可配置交換機制的路由器，其特徵在於在輸出仲裁方面設定電路交換請求包的仲裁優先級聞於包交換，以減少電路交換的阻塞等待時間，提聞網絡吞吐量、減少延時。
5.根據權利要求4所述的可配置交換機制的路由器，其特徵在於電路交換和包交換機制共用輸出交換開關，以減小硬體開銷。
全文摘要
本發明屬於集成電路的片上網絡技術領域，具體為一種可配置為電路交換或包交換兩種交換機制的路由器。通常的路由器由輸入緩衝隊列、路由計算模塊、仲裁器和交換開關組成，具有東、南、西、北和本地5組埠。本發明在通常路由器的數據輸入埠增加一個二選一的數據選擇器(MUX)，外部輸入的數據分兩個支路，一路與MUX的一個埠連接，另一路通過輸入緩衝隊列後與MUX的另一埠相連。本發明可在不明顯增加電路總面積的前提下根據數據包長靈活地選擇不同的交換機制，從而充分發揮兩種交換機制在各自特定包長下的通信效率和能量效率的優勢。
文檔編號H04L12/771GK103152275SQ20131008326
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月15日 優先權日2013年3月15日
發明者虞志益, 林傑, 歐鵬, 李毅 申請人:復旦大學