一種數據通路分片的冗餘保護結構的製作方法

2023-06-11 07:08:01

專利名稱：一種數據通路分片的冗餘保護結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及片上網絡可靠性設計技術領域，為其中片上路由器數據通路部件的冗餘備份結構。
背景技術：
隨著VLSI技術的發展，越來越多的片上處理單元(存儲單元、信號處理單元、輸入輸出單元)將會被集成在同一個die上。片上網絡(Network-on-Chip, NoC)依靠其可擴展性好，吞吐量大的特點逐漸成為片上互連的主要標準。隨著晶片規模的不斷擴大和集成度的不斷提高，NoC的組件會受到兩類錯誤的影響(1)暫時性(transient)錯誤和(2)長期性(permanent)錯誤。這些錯誤會降低晶片的成品率並影響片上互連的效率 和可靠性。由於片上網絡可以看成一組結構化路由器的互連結構，片上路由器負責網絡流量控制和路由計算，其中流水線部件，存儲部件，交叉互連開關以及通道屬於「數據通路部件」，其它部件屬於「控制部件」。在SMIC 90nm工藝下，假設路由器之間點對點通道的寬度是O. 8mm (例如ARM9處理器內核)，綜合結果表明通道，存儲部件，流水線寄存器和交叉開關等「數據通路部件」的面積開銷較大，佔路由器面積的絕大部分。因此直接對這些部件做冗餘將會使路由器面積成倍增長。因此，為保證在NoC組件出現故障情況下的通信效率，能夠實現錯誤容忍的路由器結構是一種有效的解決方案。以往的容錯路由器設計大多使用對組件直接進行冗餘備份的策略。它為每個路由器組件提供一個冗餘部件，當一個部件出錯停止工作時，可以使用冗餘部件進行替代。這種設計可以在一定程度上提高路由器的容錯能力，但是冗餘策略需要較大的面積開銷，使用冗餘策略的路由器面積通常是原來的2倍(雙模冗餘DMR)或3倍(三模冗餘TMR)。在NoC面積資源有限的情況下，這種容錯策略難以滿足要求。此外，正是由於冗餘部件佔用的晶片面積較大，故障概率也隨之提高，嚴重時導致NoC停止工作。由此可見，要實現對高可靠性的片上互連，保障片上網絡正常工作，首先需要設計針對路由器組件的容錯保護機制，控制提高可靠性帶來的面積開銷。儘管存在多種方法來提高片上路由器的可靠性，但是其中一些方法沒能把面積開銷降低到一定程度，一些方法面積開銷雖然小，但是系統性能依舊隨著故障增多迅速降低。例如，一種面積開銷較小的數據通路部件保護機制如圖I所示，這是一種基於數據通路分片技術的容錯路由器結構的一部分，圖中標示出了數據輸入的N方向和輸出的S方向。利用數據通路部件的可分片特點，時分復用正常工作的部件分片，從而降低傳輸延遲。考慮一個64bit的通道出錯的情況，通常認為組成通道的64根導線全部失效，但是由於可以認為數據通道是由一組並行工作的通道「分片」(Slice)組成(4個通道「分片」，每個位寬16bit)，分片之間互不影響。由於面積開銷和故障數目存在正比關係，每個分片的面積較小，因此分片出錯的概率很低，其中一個分片失效並不會影響其它分片正常工作。此時利用這些正常工作的分片，採用時分復用方法對數據進行傳輸可以在一定程度上提高路由器的容錯能力，從而在提高可靠性的同時降低面積開銷。對於其它數據通路部件，例如，一個64bit的先入先出(FIFO)存儲部件可以分成4個位寬16bit的FIFO分片；一個64bit的交叉開關部件可以分成4個位寬16bit的開關部件分片等，如圖I所示。此設計雖然能夠在一定程度上降低面積開銷，然而並沒有考慮當分片故障數量增大時對性能的影響。在分片故障數量較大時，此設計會嚴重降低數據通路部件的吞吐量。因此，如果能在此設計的基礎上，結合傳統的冗餘策略，通過增加一級分片作為冗餘備份，可在面積開銷增大不多的情況下，大幅度提高系統的性能。

發明內容
本發明的任務在於，獲得一個即可使面積開銷小、功耗低，又可當故障分片數量增多時系統性能不受影響的容錯保護結構。本發明在原有分片的基礎上增加一條冗餘分片，用於在某個分片出錯的情況下對 其進行替代，在分片的前後端分別加入多個選擇器，用於動態改變數據傳輸所使用的分片。本發明的關鍵點在於如何通過已得知的分片故障情況，控制多路選擇器的控制信號合理的對故障分片進行替代。該分片容錯結構的主要特徵在於(I)通過將待輸入分片的每路數據信號連接至某個多路選擇器的輸入端，根據分片的故障情況，控制多路選擇器的控制信號，達到改變數據使用的部件分片的目的。(2)在多路選擇器構成的分片選擇結構中，共有兩組多路選擇器網絡，一組多路選擇器控制數據使用哪些正常的分片；另一組控制如何從分片中提取數據，並放到下一級需要使用這些數據的部件中。適合本發明的一個優點在於，多路選擇器網絡可以適應任何一種分片故障的組合。當得知部件分片故障情況時，控制模塊改變每個多路選擇器的控制信號，改變數據所使用的分片。適合本發明的另一個優點在於，系統性能不會由於分片故障數量增大而顯著降低，由於本發明增加了一個冗餘分片，由於分片出錯的概率很小，I個或2個分片出錯已經覆蓋了大部分故障情況，而當這種情況發生時，使用本發明的容錯保護結構，即使用冗餘分片替代故障分片，可使性能不受任何影響。


在附圖的各圖中舉例而不是限制地說明本發明，其中圖I以方框圖的形式表示出使用數據通路部件分片容錯策略的片上路由器NS方向數據流向示意圖。圖2以具體電路的形式表示本發明的分片冗餘保護結構。圖3以具體電路的形式表示如何將本發明的分片冗餘保護結構和部件的分片容錯策略結合到一起。圖I是本發明之前用來提高片上網絡的可靠性的方法之一，使用該方法對數據通路部件進行分片容錯，在分片故障數目較大時會影響網絡性能。圖2是本發明的分片冗餘結構，表述了結構各部分的組成，該電路中標號和權利要求中的描述標號對應。圖3是本發明的一個應用場景，對已使用分片容錯策略進行保護的數據通路部件進行分片冗餘備份，以提聞系統性能。
具體實施例方式描述一種新穎的故障檢測電路。在以下的詳細描述中，為了徹底理解本發明，給出了許多具體細節，但是，本領域的普通技術人員都知道沒有這些具體細節也可以實施本發明。在其它情況下，眾所周知的方法、過程、元件和電路都沒有詳細描述，以便不使本發明模糊不清。在圖2中「分片故障指示器」用於指示數據即將進入的數據通 路部件分片中有哪些出現了故障。以64bit帶寬的數據通路部件為例，若此時分成4個分片(每個16bit)，則分片故障指示器的輸出為一個4bit的向量，每個bit用「O」和「I」分別代表對應的分片「未出錯」和「出錯」。例如，若分片狀態指示器的輸出為「0101」，表示第二和第四個分片出
現故障。「分片選通控制器」輸出7bit的控制信號，每個bit的控制信號分別連入7個多路選擇器的控制埠。7個多路選擇器共分為兩組，第一組為三個，第二組為四個。第一組的三個多路選擇器Muxl，Mux2和Mux 3負責根據分片選通控制器給出的控制信號，把數據選進相應的部件分片中。在大多數情況下，若無故障的部件分片，也即分片故障狀態指示器輸出「0000」，分片選通控制器給第一組多路選擇器網絡輸出的3個bit控制信號為「000」，則3個多路選擇器選通下面一路信號，也即「b」路的數據信號，使其通過多路選擇器進入數據通路的部件分片中傳遞。當分片中存在故障時，為了避開故障分片，多路選擇器選擇「a」路數據通過，數據使用的部件分片從故障分片開始依次下移一個。以圖2中的情況為例，此時部件分片3為一個故障分片，「分片故障指示器」輸出信號為「0010」，「分片選通控制器」輸出「0x1」。第一路和第二路數據仍然使用部件分片I和2，然而原來使用部件分片3的第三路數據信號由於Mux 3選通了 a路輸入，使第三路數據選擇部件分片4進行傳輸，而原來使用部件分片4的第四路數據選擇「冗餘分片」進行傳輸，也即從第三路信號開始，所使用的部件分片依次下移，最後一路數據使用冗餘分片。在輸出信號中有一個bit為「X」，表示這個bit的值可以是任意的(「O」或「I」均可)，因為Mux2連接的部件分片為故障分片，因此無論選通哪路數據都可，並不會影響實際結果。對於第二組多路選擇器網絡，包含Mux4，Mux5，Mux6和Mux7。它們負責根據「分片選通控制器」的輸出來決定選擇「a」路或者「b」路數據通過自身。仍舊以圖2所示的情況為例。此時「分片選通控制器」向第二組的4個多路選擇器的控制端輸出的信號為「1100」，Mux4和Mux5選通a路信號，因為a路信號分別是第一路和第二路數據使用正常部件分片之後的輸出。由於第三個部件分片出錯，輸入數據使用的部件分片依次下移，因此Mux6和Mux7選擇b路數據信號通過自身。由此可見，雖然部件分片存在故障，但使用本發明可以使數據仍舊完好無損的輸出到下一級數據通路部件。圖3為本發明的一個應用實例。在圖I的基礎上加入了本發明的分片冗餘保護結構。圖I雖然是提高可靠性的一種方法，但是對「鏈路分片」，「緩存分片」以及「交叉開關分片」均沒有進行冗餘備份，因此在這些部件故障數量較大時會嚴重影響系統性能。在使用本發明時，加裝非常簡單，在原有的數據通路部件分片的前端和後端加入上述兩組多路選擇器網絡，在原有分片數量的基礎上增加一級冗餘分片，即可構成一個分片冗餘備份結構。
權利要求
1.一種數據通路部件的容錯保護裝置，首先將部件進行分片，形成N個依次排列的部件分片，則輸入的數據信號分為N路，其特徵在於，該容錯保護裝置還包括分片故障狀態指示模塊、分片選通控制模塊、排列在部件分片後的冗餘分片、設置在部件分片和冗餘分片前的N-I個依次排列的輸入端多路選擇器、以及設置在部件分片和冗餘分片後的N個依次排列的輸出端多路選擇器，其中分片故障狀態指示模塊，用於指示數據即將進入的數據通路的部件分片的故障情況；分片選通控制模塊，用於根據分片故障狀態指示模塊中指示的部件分片的故障情況選通多路選擇器，選擇合適的部件分片和冗餘分片傳輸數據。
2.根據權利要求I所述的容錯保護裝置，其特徵在於，若將部件分為N=4個分片，分別為部件分片I、部件分片2、部件分片3和部件分片4，此時輸入的數據信號分為4路數據，分別為第一路數據，第二路數據、第三路數據和第四路數據，該容錯保護裝置包括3個輸入端多路選擇器，分別為Muxl、Mux2、和Mux3，4個輸出端多路選擇器，分別為Mux4，Mux5, Mux6,Mux7，多路選擇器包括a輸入口和b輸入口 ；其中， 輸入端多路選擇器的連接關係為 第一路數據直接連接部件分片I，同時連接至Muxl的a輸入口 ； 第二路數據連接Muxl的b輸入口，同時連接Mux2的a輸入口 ； 第三路數據連接Mux2的b輸入口，同時連接Mux3的a輸入口 ； 第四路數據連接Mux3的b輸入口，同時直接連接至冗餘分片； Muxl, Mux2和Mux3的輸出端分別連接部件分片2，3和4 ; 輸出端多路選擇器的連接關係為 部件分片I直接連接至Mux4的a輸入口 ； 部件分片2同時連接Mux4的b輸入口和Mux5的a輸入口 ； 部件分片3同時連接Mux5的b輸入口和Mux6的a輸入口 ； 部件分片4同時連接Mux6的b輸入口和Mux7的a輸入口 ； 冗餘分片直接連接至Mux7的b輸入口。
3.根據權利要求1-2任一所述的容錯保護裝置，其特徵在於，所述分片選通控制模塊的輸出的bit數為2N-1，每個bit代表的信息分別控制每個多路選擇器。
全文摘要
本發明為一個片上網絡容錯路由器數據通路部件的容錯保護結構，對於開銷較大的部件先將其分片，再對分片進行冗餘備份，以降低增加可靠性帶來的面積開銷。當某個分片出現故障時，數據使用的部件分片從故障分片開始依次下移，最後一路數據使用冗餘分片進行傳輸。本發明中用兩組多路選擇器網絡控制數據使用的分片，多路選擇器的控制信號由「分片選通控制器」模塊進行控制，該模塊接收來自分片狀態指示器模塊傳遞來的分片故障信息，之後產生多路選擇器的控制信號，數據根據多路選擇器的選通情況選擇合適的分片傳輸數據。由於單個分片出現錯誤的概率較大，因此使用本發明中的容錯路由器恰好適合這種故障情況，可以保證片上網絡性能不受任何損失。
文檔編號G06F11/16GK102831037SQ20121024816
公開日2012年12月19日 申請日期2012年7月17日 優先權日2012年7月17日
發明者高旭東 申請人:高旭東