用於片上網絡的帶控制信號的低功耗路由器的製作方法
2023-06-11 14:54:11
專利名稱：用於片上網絡的帶控制信號的低功耗路由器的製作方法
技術領域：
本發明屬於片上網絡技術領域，具體涉及一種用於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，基於更高工藝 45nm和32nm的晶片也已經問世。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核集成到一塊晶片內。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複雜的結構。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徵尺寸的縮小，工作頻率迅速上升，達到IOGHz以後，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，龐大的時鐘網絡將佔據晶片的大部分功耗。為了有效解決未來MPSoC中多核之間複雜的通信問題，借鑑計算機網絡和並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，並予以定義片上網絡是由計算單元、存儲單元、1/0接口構成的，並且通過路由器連接的網絡。也有部分學者將2001年史丹福大學的Dally教授的一篇文章作為NoC的發端。採用NoC具有以下優點
(1)解決了連線過長延時太大的問題NoC設計採用全局異步、局部同步(GlcAally Asynchronous Locally Synchronous, GALS)的機制，每一個處理單元都有自己的時鐘域； 並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)設計和製造的技術差綜合和編譯技術落後於IC製造技術的發展，形成了所謂的「剪刀差」，這就使得重新設計一個更大規模的晶片更加困難，而採用片上網絡的方式，通過重用很多已有的軟硬體模塊，可以明顯提高設計速度，縮短設計周期。(3)容錯性好晶片作為一個有機整體，如果其中一個部件發生錯位，可能會使整個晶片陷於癱瘓，而使用片上網絡，出錯的部件可以用其他相同的部件代替，使得整個晶片能夠繼續正常工作。(4)適用於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、並行性，並且可以避免長線，單元之間的連線很短，成為單晶片系統的發展方向。(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，用於連接各個處理單元、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、功耗的路由器是基於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, ΡΕ)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)緩衝器(buffer)採用先進先出(first-in first-out, FIFO)方式來存儲數據， 一般並行放置幾個緩衝器(也稱虛擬信道，將在下面介紹)。緩衝器可放置在輸入埠或輸出埠，但不同的放置可能會有不同的性能。(2)連結控制器(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。(3)仲裁器(Arbiter)，決定哪個信道可以傳輸數據以及傳入路由器的數據應該選擇哪個信道作為輸入。(4)交換開關(switch或稱crossbar)，決定輸入信道可以選擇哪個輸出信道作為輸出埠。但是，片上網絡中路由器佔據較大面積，並且消耗較大功耗。參考文獻Ahmed Amine Jerraya, Wayne Wolf. Multiprocessor System-on-Chips .Morgan Kaufmann, 2005WOLFW,JERRAYAA,MARTING.Multiprocessorsystem-on-chip (MPSoC) technology[J] . IEEE Transactions on Computer—Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 2008， 27 (10) :1701-1713 .Kim J, Nicopoulos C, Park D. A gracefully degradingand energy-efficient modular router architecture for on-chip networks[C] . Proceedings of the 33rd AnnualInternational Symposium on Computer Architecture. Boston: IEEE, 2006, :4-15 .Das R, Mishra A K, Nicopoulos Cet al. Performance andpower optimization through data compression in network-on-chip architectures[C] . Proceedings of the 14th Inter-national Symposium on High Performance Computer Archi-tecture. Salt Lake City: IEEE, 2008， :215-225 .Alameldeen A R, Wood D A. Interactions between com-pression and prefetching in chip multiprocessors[C] . Proceedings of the 13th International
4Symposium onHigh-Performance Computer Architecture. Phoenix: IEEE, 2007, :228-239 。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠有效降低片上網絡路由器功耗的路由器結構。基於以上發明目的，本發明提出一種帶開關控制電路的路由器結構。即在通常的路由器輸入埠加入一個控制電路和控制信號，起到關斷或者開啟路由器的作用以降低功耗。設EN為使能信號，CLK為時鐘信號，使用鎖存器來抑制毛刺。具體來說，通常的路由器一般由以下模塊構成緩衝器(buffer)、連結控制器 (Link Controller, LC)、仲裁器(Arbiter)、交換開關(switch 或稱 crossbar)，見圖 3 所示。本發明的低功耗路由器，僅當某一級路由器需要傳送數據時，其控制信號被置高電平，路由器開啟。當沒有數據傳送時，即數據轉發完畢時，控制信號置低電平，關斷路由器，達到降低功耗的目的。本發明的低功耗路由器，通過檢測緩衝器狀態是否為空來判斷上一級路由單元發送給本級路由單元的數據是否轉發完畢。本發明的低功耗路由器，其數據傳輸的具體流程為
(1)某一級路由單元輸出埠接收到來自同級輸入埠請求發送信號時，採用輪循機制確定輸出通道號並判斷下一級路由單元的工作狀態；
(2)如果連接的下一級路由單元輸入埠已處於工作狀態，則開始發送請求信號和數
據；
(3)如果處於關閉狀態，則將控制信號置『1』，開啟該輸入埠的時鐘信號，並開始發送請求信號和數據；
(4)當下一級輸入鏈路控制部分檢測到上一級路由單元通過該輸入埠一次有效數據包的發送接收已經結束，並且此時來自上一級路由單元的請求為『0』，則將控制信號置 『 0 』，中斷該輸入埠的時鐘信號。傳統的路由器實現信號的存儲轉發功能，當使用數量不多的時候，功率消耗尚可以接受。然而在片上網絡中，需要大量使用路由器(每個資源節點帶一個路由器)，功耗問題十分突出。本發明所提出的帶開關控制電路的路由器能夠有效地解決這一問題。
圖1為帶控制信號的路由器模塊。圖2為數據包的組成。圖3為路由器的主要構成模塊。
具體實施例方式當上一級路由單元輸出埠接收到來自同級輸入埠請求發送信號時，採用輪循機制確定輸出通道號並判斷下一級路由單元的工作狀態。如果連接的下一級路由單元輸入埠已處於工作狀態，則開始發送請求信號和數據；如果處於關閉狀態，則將控制信號置『1』，開啟該輸入埠的時鐘信號，並開始發送請求信號和數據。下一級輸入鏈路控制部分接收到來自前一級路由單元的發送請求，並給出相應的應答信號，即開始啟動數據接收和存儲進程。路由處理應答信號不僅表明路由計算處理完畢，還標誌著一個新的數據包在等待發送，此時傳輸控制部分通過監測路由處理應答和虛通道緩存狀態來啟動數據發送進程，根據虛通道號和緩存位置讀取數據並傳輸。當下一級輸入鏈路控制部分檢測到FIFO狀態變為空，並且所請求的相應的同級輸出埠已將數據順利轉發至下一級，說明上一級路由單元通過該輸入埠一次有效數據包的發送接收已經結束，若此時來自上一級路由單元的請求為『0』，將控制信號置『0』，中斷該輸入埠的時鐘信號。
權利要求
1.一種用於片上網絡的帶控制信號的低功耗路由器，其特徵在於在通常路由器的基礎上加上一塊控制電路和一個控制信號，使得路由器具備關斷的功能。
2.根據權利要求1所述的低功耗路由器，其特徵在於僅當某一級路由器需要傳送數據時，其控制信號被置高電平，路由器開啟；當沒有數據傳送時，即數據轉發完畢時，控制信號置低電平，關斷路由器，達到降低功耗的目的。
3.根據權利要求2所述的用於片上網絡的低功耗路由器，其特徵在於通過檢測緩衝器狀態是否為空來判斷上一級路由單元發送給本級路由單元的數據是否轉發完畢。
4.根據權利要求3所述的用於片上網絡的低功耗路由器，其特徵在於數據傳輸的具體流程為(1)某一級路由單元輸出埠接收到來自同級輸入埠請求發送信號時，採用輪循機制確定輸出通道號並判斷下一級路由單元的工作狀態；(2)如果連接的下一級路由單元輸入埠已處於工作狀態，則開始發送請求信號和數據；(3)如果處於關閉狀態，則將控制信號置『1』，開啟該輸入埠的時鐘信號，並開始發送請求信號和數據；(4)當下一級輸入鏈路控制部分檢測到上一級路由單元通過該輸入埠一次有效數據包的發送接收已經結束，並且此時來自上一級路由單元的請求為『0』，則將控制信號置 『 0 』，中斷該輸入埠的時鐘信號。
全文摘要
本發明屬於片上網絡技術領域，具體為一種用於片上網絡的帶控制信號的低功耗路由器。通常的路由器一般包括緩衝器、連結控制器、仲裁器、交換開關，本發明在通常的路由器輸入埠加入一個控制電路和控制信號，使得路由器具備關斷的功能。僅當某一級路由器需要傳送數據時，其控制信號被置高電平，路由器開啟；當沒有數據傳送時，即數據轉發完畢時，控制信號置低電平，關斷路由器，達到降低功耗的目的。
文檔編號H04L12/56GK102195891SQ20111015581
公開日2011年9月21日 申請日期2011年6月10日 優先權日2011年6月10日
發明者曹偉, 洪琪, 王伶俐, 王穎 申請人:復旦大學