CN101420355A - 一种星簇双环片上网络拓扑结构 - Google Patents

Abstract

一种星簇双环片上网络拓扑结构，由4m×2k个处理单元和4m个交换节点组成，每2k个处理单元连接成星型网络拓扑结构，共得到4m个星型结构；将4m个星型结构中交换节点连接成DL(2m)互连网络拓扑结构。本发明具有正规性、对称性、平面性、简单的交换节点、良好的可扩展性和较低的网络成本以及简单的路由策略。本发明中一个交换节点连接4个处理单元，减少了处理单元之间的通信距离，增强了系统的本地特性，减小了系统的延迟并提高了系统的吞吐量。本发明的交换节点和处理单元可以采用一种新的约翰逊编码方法，该编码方法使得交换节点和处理单元的编码隐含互连网络的相邻节点和链路信息；使得路由算法设计简单。

Description

一种星簇双环片上网络拓扑结构

技术领域

本发明属于片上网络技术领域，特别是一种用于片上网络的网络拓扑结构，称之为星簇双环片上网络拓扑结构。

背景技术

随着半导体工艺的不断发展，现在的SoC中可包含一个或多个处理器、存储器、模拟电路、数模混合电路以及片上可编程逻辑等(Intellectual Properties)IP核。但是，随着SoC中所包含的IP核数目增加，现有的以总线结构为通信基础的SoC技术面临着在性能、功耗、延时和可靠性等方面的巨大挑战。为了克服复杂SoC面临的各种问题，一些研究机构借鉴和吸收了并行计算的一些思想，提出了以通信为核心的复杂SoC的IP核的集成方法，即片上网络(Network-on-Chip，NoC)。NoC采用基于包交换的方法和分层方法来替代原先的传统总线，实现了处理单元(Process Element，PE)与通信结构(网络)的分离。NoC网络传输信息的能力主要依靠其拓扑结构，它对网络延迟、吞吐量、面积、容错、功耗有很大影响外，对设计策略和内核到网络节点的映射起着重要的作用。目前，理论上还不能证明可以用最优的拓扑结构来实现任何一个给定的应用。虽然专用的网络结构能提高性能、降低功耗、减小面积，但采用不规则的网格拓扑结构会引起版图设计、不均匀的线长等设计问题。因此，选择合适的NoC拓扑结构是NoC设计中非常关键的问题之一。

目前，大部分的NoC研究和设计借鉴了并行计算机体系结构中的静态网络结构，包含规则和不规则两种结构。常见规则结构如KTH Nostrum的2D-mesh，3D-mesh结构，Torus结构，UPMC SPIN的扁平树结构，八角形结构、Spidergon结构和Proteo的环形结构等。多家研究机构采用了2D-mesh或者其变形的Torus结构为网络的拓扑结构。不规则的结构是由规则结构组合而成的。基于簇的Mesh拓扑结构(Cluster-Mesh，CM)中一个交换节点连接4个PE，改变了传统结构的一个交换节点连接一个PE的方式，进一步减少PE之间的通信距离，增强了系统的本地特性，提高了系统的性能。

对于2维平面互连网络，节点的拓扑相邻一定是空间相邻的，平面性网络拓扑结构的这个性质极大的方便了芯片的布局布线。NoC要求网络结构具有可扩展性和可重用性。网络节点的度反映了路由节点的复杂度，NoC要求路由节点简单(节点度小)，而且网络又要具有路径多样性。对于平面性的、对称的、路由器端口数(网络连接度)小、路由算法简单高效以及良好可扩展的网络结构在NoC中更容易实现。

在给定网络拓扑和各种PE之间的通信量的前提下，NoC内部PE之间的通信路由极大的影响了网络性能，因此，路由策略也是NoC中需要解决的一个重要问题。在NoC中采用路由算法来实现路由时，要求设计出比宏观网络更加简单的路由器硬件结构来实现路由和交换等功能，以满足有限的硅片资源和低延时等VLSI实现要求。在并行计算Hypercube拓扑结构中，采用二进制格雷编码对节点进行编码，在路由时能很容易计算源节点和目的节点之间的距离，这种编码的网络拓扑具有很好的扩展性，并且使得路由算法非常简单和高效。

发明内容

本发明的目的是：根据片上网络的基本要求，在平衡性能、成本以及实现的基础上，提出了一种新的可扩展片上互连网络拓扑结构——星簇双环(Star-Cluster Double-Loop，SCDL(2m，2k))片上网络拓扑结构。该拓扑结构的每个交换节点的连接度相同，使得片上网络设计可以进行可复用设计。SCDL(2m，2k)的交换节点和PE可以采用一种新的约翰逊编码方法，该编码方法使得交换节点和PE的编码隐含互连网络的相邻交换节点和链路信息，极大的简化了路由算法的实现。

本发明的技术解决方案是：一种星簇双环(Star-Cluster Double-Loop，SCDL(2m，2k))片上网络拓扑结构，SCDL(2m，2k)互连网络拓扑由4m×2k个处理单元(Process Element，PE)和4m个交换节点组成，SCDL(2m，2k)互连网络拓扑中一个交换节点连接4个处理单元，对于4m×2k个处理单元和4m个交换节点的SCDL(2m，2k)互连网络拓扑，按如下方法来连接：1)首先，每2k个处理单元连接成星型网络拓扑结构，共得到4m个星型结构；2)将4m个星型结构中交换节点连接成DL(2m)互连网络拓扑结构，这样就形成了包含4m×2k个处理单元和4m个交换节点的SCDL(2m，2k)互连网络拓扑。

SCDL(2m，2k)的交换节点和处理单元采用如下编码方法，每个处理单元编码由两部分(A_s，A_d)组成，其中A_d采用m+1位二进制约翰逊码为每个星型结构的编码即双环中的交换节点编码，A_s采用k位二进制约翰逊码为星型结构内处理单元的编码。

本发明在平衡性能、成本以及实现的基础上，给出了一种星簇双环(Star-Cluster Double-Loop，SCDL(2m，2k))片上互连网络拓扑结构，SCDL(2m，2k)互连网络拓扑结构具有正规性、对称性、平面性、简单的交换节点、良好的可扩展性和较低的网络成本以及简单的路由策略。SCDL(2m，2k)中一个交换节点连接4个PE，减少了PE之间的通信距离，增强了系统的本地特性，减小了系统的延迟并提高了系统的吞吐量。SCDL(2m，2k)的交换节点和PE可以采用一种新的约翰逊编码方法，该编码方法使得交换节点和PE的编码隐含互连网络的相邻节点和链路信息；交换节点编码形成4m个交换节点的SCDL(2m，2k)互连网络时，若交换节点编码位数每增加一位，相应的交换节点个数只增加4个；任意交换节点编码有且仅有三个相邻交换节点编码；交换节点和PE的编码中含有路由信息，使得路由算法设计简单。该拓扑结构是一种适合片上网络的拓扑结构。

附图说明

图1：DL(2m)互连网络拓扑结构及其节点编码(m＝4)示意图；

图2：SCDL(2m，2k)网络拓扑结构及其交换节点和PE编码(m＝4，k＝2)，为本发明结构示意图；

图3：SCDL(2m，2k)网络拓扑结构的芯片布局(m＝4，k＝2)，为本发明网络拓扑结构的芯片布局示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体详细介绍本发明的具体实施方案。

预备知识

定义1 如果一组二进制编码具有如下性质：①任意两个相邻的编码有且仅有一位不同(单位距离性质)；②第一个编码和最后一个编码也有且仅有一位不同(循环性质)。这样的二进制编码称之为二进制单位距离循环码。

本发明提出了一种新的编码方法，其定义如下：

定义2 对于递减整数序列(n-1，n-2，...，2，1，0)，采用

位的编码表示整数序列的每个值，如果该编码具有定义1的性质并且满足：①当整数k<m时，则k的编码形式为Q＝Z_m-1...Z_kO_k-1...O₀，“Z_m-1...Z_k”代表为全“0”的序列部分，“O_k-1...O₀”代表全“1”的序列部分，并且当k＝0时，Q为m位的全“0”序列；②当整数k≥m时，则k的编码形式为Q＝O_m-1...O_kZ_k-1...Z₀，“Z_k-1...Z₀”代表为全“0”的序列部分；“O_m-1...O_k”代表全“1”的序列部分，并且当k＝m时，Q为m位的全“1”序列。称该整数序列的编码为二进制约翰逊编码。

定义3 对于互连网络中的任意两个节点，如果它们两者的节点编码的二进制值当且仅当相差一位时，这样的两个节点称之为相邻节点。

本发明提出了一种双环互连网络拓扑结构，其定义如下：

定义4 双环互连网络(Double-Loop，DL(2m))是具有下述性质的一种网络拓扑结构：1)由4m个节点和6m条直接链路组成，即由一个2m个节点的内环和一个2m个节点的外环以及内环和外环对应节点连接所构成的平面互连网络拓扑；2)用m位的2m个约翰逊编码标识一个环上的节点，分别加上一位内环或外环的标识码，即用C_mC_m-1，...，C₂C₁C₀对节点编码，内环与外环的对应节点编码只有最高位相反其余位相同；3)节点编码的规则为：当且仅当DL(2m)中两个节点的编码有且仅有一位不同时，两个节点是相邻的，即这两个节点之间有一直接链路。

图1给出了一个m＝4的DL(2m)网络拓扑结构及其节点编码，图中有4×4＝16个节点(黑色小圆点)和6×4＝24条直接链路，相邻节点的编码只有一位不同。DL(2m)互连网络具有正规性、可扩展性、对称性和平面性以及简单的路由策略。

星簇双环(SCDL(2m，2k))片上互连网络拓扑结构

定义4的DL(2m)是本发明提出了一种新的双环互连网络拓扑结构，该结构具有节点度小和良好的可扩展性，其节点编码可以采用本发明提出的约翰逊编码，使其路由算法实现较简单。本发明将提出的双环网络拓扑的可扩展性和星型拓扑结构的局部通行性能结合，给出了一种星簇双环(SCDL(2m，2k))互连网络拓扑结构。SCDL(2m，2k)的交换节点和PE可以采用一种新的约翰逊编码方法，该编码方法使得交换节点和PE的编码隐含互连网络的相邻节点和链路信息，使得路由算法设计简单。该拓扑结构是一种适合片上网络的拓扑结构。

定义5 星簇双环(Star-Cluster Double-Loop，SCDL(2m，2k)，2m表示该结构中双环的每个环具有2m个交换节点，2k表示每个交换节点连接的PE数)拓扑结构由4m×2k个PE和4m个交换节点组成。SCDL(2m，2k)互连网络拓扑中一个交换节点连接2k个PE，减少了PE之间的通信距离，增强了系统的本地特性，减小了系统的延迟并提高了系统的吞吐量。SCDL(2m，2k)互连网络拓扑结构具有正规性、对称性、平面性、简单的交换节点、良好的可扩展性和较低的网络成本以及简单的路由策略。该拓扑结构是一种适合片上网络的拓扑结构。对于4m×2k个PE和4m个交换节点的SCDL(2m，2k)互连网络拓扑，按如下方法来连接：1)首先，每2k个PE连接成星型网络拓扑结构，共得到4m个星型结构；2)将4m个星型结构中交换节点连接成DL(2m)互连网络拓扑结构。这样就形成了包含4m×2k个PE和4m个交换节点的SCDL(2m，2k)互连网络拓扑。

SCDL(2m，2k)的交换节点和PE可以采用定义2提出的约翰逊编码方法，该编码方法使得交换节点和PE的编码隐含互连网络的相邻节点和链路信息。每个PE编码由两部分(A_s，A_d)组成，其中A_d(m+1位二进制约翰逊码)为每个星型结构的编码(即双环中的交换节点编码)，A_s(k位二进制约翰逊码)为星型结构内PE的编码。交换节点编码形成4m个交换节点的SCDL(2m，2k)互连网络时，若交换节点编码位数每增加一位，相应的交换节点个数只增加4个，即可扩展为SCDL(2(m+1)，2k)网络拓扑，除了与新增节点相连的节点外，其它节点与连接关系没有任何变动，使得网络拓扑结构更易于扩展。任意交换节点编码有且仅有三个相邻交换节点编码；交换节点和PE的编码中含有路由信息，使得路由算法设计简单。

图2给出了m＝4，k＝2的SCDL(2m，2k)互连网络拓扑结构及其节点编码方法，其中黑色圆点表示交换节点，白色正方形表示PE，图3给出了m＝4，k＝2的SCDL(2m，2k)互连网络拓扑结构的芯片布局。SCDL(8，4)包含4×4＝16个交换节点和4×4×2×2＝64个PE。

由于SCDL(2m，2k)的PE和交换节点的编码采用约翰逊码简化了路由算法的实现，但是编码位数随着PE和交换节点的增加而线性增加。我们可以将约翰逊码转换为自然二进制码进行存储，使得它的二进制码的位数和PE之间是对数关系。对约翰逊编码(Q_2m-1，Q_2m-2，...Q₂，Q₁，Q₀)，我们可以找出一组连续的

位的自然二进制码来与之对应：①当Q_p的最高位为“0”时，它的自然二进制码就是把Q_p中含“1”的个数相加所得结果对应的二进制码；②当Q_p的最高位为“1”时，它的自然二进制码就是由m加上“0”的个数所得结果对应的二进制码。根据定义2，可以将自然二进制码转换为约翰逊码。所以，自然二进制码和约翰逊码之间存在一一对应关系。

SCDL(2m，2k)网络的性质

SCDL(2m，2k)互连网络拓扑结构具有如下性质：

性质1 SCDL(2m，2k)网络是正规图拓扑结构，任意交换节点的连接度均为7。使得NoC可以进行模块化设计以及交换节点进行可复用设计。

性质2 SCDL(2m，2k)网络具有良好的扩展性，可扩展性是指在网络拓扑性能保持不变的情况下，扩充节点的能力，即系统有效利用所增加的处理资源能力的反映，影响网络的路由效率。对于SCDL(2m，2k)互连网络，分别在内环和外环上扩展2s个交换节点，就可扩展为SCDL(2m+2s，2k)网络拓扑，除了与新增节点相连的节点外，其它节点与连接关系没有任何变动。

性质3 SCDL(2m，2k)网络是对称网络，将该网络中任何交换节点标识为原点都同构与本身，即从任何交换节点观察网络都是一样的。简化了路由算法的实现，即路由算法的实现与网络交换节点位置无关。

性质4 SCDL(2m，2k)网络中任意两个交换节点间的距离最大值(网络直径)，即为m+1(因内环或外环的直径为m，而且内环和外环的距离为1)，网络直径影响网络延迟。

性质5 SCDL(2m，2k)网络中任意两个交换节点之间有3条无交的路，若两个节点都在内环或外环，则这3条路的长度分别为x(1≤x≤m)，2m-x，x+2，若两个节点一个在内环而另一个在外环，则这3条路的长度分别为y(1≤y≤m+1)，y，2m-y+2，因此，SCDL(2m，2k)网络具有良好的并行性、容错性和负载均衡能力。

性质6 SCDL(2m，2k)网络是平面性的。平面性是指网络拓扑在平面上能否实现，网络拓扑结构的这个性质极大的方便了芯片的布局布线，是设计时必须考虑的问题。高维互连网络的节点在拓扑的相邻并不一定是空间的相邻，但是二维平面互连网络节点的拓扑相邻一定是空间相邻的。

SCDL(2m，2k)网络拓扑结构的交换节点和PE采用了约翰逊编码使得网络拓扑具有了以下良好的性质。

性质7 SCDL(2m，2k)网络每条回路中的交换节点编码都是二进制单位距离循环码；网络中任意一个交换节点编码有且仅有三个相邻交换节点编码；交换节点编码位数增加一位，则相应的交换节点个数只增加4个；将任意两个交换节点编码异或所得“1”的个数即为两个交换节点间的最小距离。该编码方法结构清晰，节点编码隐含了网络的结构特性，能够极大地简化路由过程中的运算。

为了进一步说明SCDL(2m，2k)网络的优良特性，表1给出了SCDL(2m，2k)、Cluster-Ring、理想的Cluster-Mesh(i)和实际的Cluster-Mesh(r)的性能特征，表中交换节点数N＝4m＝kl，PE数为4N。

表1 四种静态互连网络的性能特征

SCDL(2m，2k)互连网络上的路由算法

路由算法是影响片上网络通信效率的重要因素。充分利用SCDL(2m，2k)网络拓扑结构和节点编码的特点，每个交换节点接收到消息后，由本节点决定是接收该消息到2k个PE还是计算路由将该消息发送到相邻交换节点。计算路由时，不需要整个网络的状态信息，从而避免了为每个交换节点提供全局路由信息所需的通信开销和交换节点存储开销。

假设源PE(S(S_mS_m-1，...，S₁S₀s_k...s₁s₀))向目的PE(D(D_mD_m-1，...，D₁D₀d₁d₀))发送数据。其中S_S＝S_mS_m-1，...，S₁S₀和D_D＝D_mD_m-1，...，D₁D₀代表交换节点编码，小写字母代表星簇内PE的编码。

①最短路径长度的计算。由性质7可得，对于SCDL(2m，2k)网络任意两个PE(S和D)之间的最短路径L可以表示为： $L=\mathrm{Ham}\min g(S_S\&CirclePlus;D_D),$ 其中

代表位异或运算，“Hamming”函数代表把异或后“1”的个数相加运算，即结果为汉明距离。

②两个交换节点之间最短路径条数P的计算：在 $\mathrm{Ham}\min g(S_m\&CirclePlus;D_m)\&equiv;0$ 时，如果 $\mathrm{Ham}\min g(S_{m-1},...,S_1{S}_0\&CirclePlus;D_{m-1},...,D_1{D}_0)\&equiv;m,$ 那么P＝2，否则，P＝1；在 $\mathrm{Ham}\min g(S_m\&CirclePlus;D_m)\&equiv;1$ 时，如果 $\mathrm{Ham}\min g(S_{m-1},...,S_1{S}_0\&CirclePlus;D_{m-1},...,D_1{D}_0)\&equiv;m,$ 那么P＝4，否则P＝2。

③网络中数据包的路由过程：当在SCDL(2m，2k)网络中用约翰逊编码，该编码隐含了全局的路由信息，S与D的距离为L。如果L＝0，那么两个PE核由同一个交换节点连接，直接发送到目的PE，否则将转发到S_S的相邻交换节点，S_S交换节点与相邻交换节点编码只相差一位，它有两个同环相邻交换节点编码分别为 $S_{S1}=S_m\stackrel{\&OverBar;}{s_0}{S}_{m-1}...S_2{S}_1,$ $S_{S2}=S_m{S}_{m-2}{S}_{m-3}...S_0\stackrel{\&OverBar;}{s_{m-1}},$ 一个异环相邻交换节点编码为 $S_{S3}=\stackrel{\&OverBar;}{s_m}{S}_{m-1}{S}_{m-2}...S_1{S}_0,$ 那么相邻交换节点与D的距离为 $d_{S1}=\mathrm{Ham}\min g(S_{S1}\&CirclePlus;D_D),$ $d_{S2}=\mathrm{Ham}\min g(S_{S2}\&CirclePlus;D_D),$ $d_{S3}=\mathrm{Ham}\min g(S_{S3}\&CirclePlus;D_D).$ 如果d_S3≡0，d_min＝d_S3，否则d_min＝min{d_S1，d_S2}，再将包发送到d_min所对应的相邻节点并且将S_S交换节点编码修改为该相邻交换节点的编码，然后计算L值，如果L≡0，那么S_S标识的交换节点即为目标节点，然后将数据发送到对应PE核，否则重复该过程。

路由算法的伪代码如下：

Routing(){source PE：S＝S_mS_m-1，...，S₁S₀s₁s₀；

destination PE：D＝D_mD_m-1，...，D₁D₀d₁d₀；

source node：S_S＝S_mS_m-1，...，S₁S₀；

destination node：D_D＝D_mD_m-1，...，D₁D₀；

$L=\mathrm{Ham}\min g(S_S\&CirclePlus;D_D);$

if(L＝＝0)

S和D连接在同一个交换节点，直接发送数据到目的PE；

else

do{

$S_{S1}=S_m\stackrel{\&OverBar;}{s_0}{S}_{m-1}...S_2{S}_1;$ $d_{S1}=\mathrm{Ham}\min g(S_{S1}\&CirclePlus;D_D);$

$S_{S2}=S_m{S}_{m-2}{S}_{m-3}...S_0\stackrel{\&OverBar;}{s_{m-1}};$ $d_{S2}=\mathrm{Ham}\min g(S_{S2}\&CirclePlus;D_D);$

$S_{S3}=\stackrel{\&OverBar;}{s_m}{S}_{m-1}{S}_{m-2}...S_1{S}_0;$ $d_{S3}=\mathrm{Ham}\min g(S_{S3}\&CirclePlus;D_D);$

if(d_S3＝＝0){源交换节点发送数据到交换节点S_S3；S_S＝S_S3；}

else if(d_S1≤d_S2){源交换节点发送数据到交换节点S_S1；S_S＝S_S1；}

else{源交换节点发送数据到交换节点S_S2；S_S＝S_S2；}

$L=\mathrm{Ham}\min g(S_S\&CirclePlus;D_D)$

}while(L≠0)；

数据到达目的交换节点，直接发送到目的PE；}

由定义2可知任意节点的同环相邻节点的地址可以用简单的移位寄存器的移位实现，而异环相邻节点的地址只要将最高位取反即可实现，同时，采用约翰逊码的SCDL(2m，2k)网络交换节点标识可以动态变换，交换节点编码只确定了交换节点之间的相对位置。

本发明本文提出的一种新的片上网络互连结构——星簇双环互连网络SCDL(2m，2k)，该网络拓扑结构简单、网络成本较低，并且具有平面性、对称性以及良好的扩展性。SCDL(2m，2k)互连网络交换节点和PE的编码采用了一种新的约翰逊编码方法，使得路由算法简单高效。根据SCDL(2m，2k)网络结构和约翰逊编码设计了一种相当简单的路由算法。

Claims (2)

1、一种星簇双环(Star-Cluster Double-Loop，SCDL(2m，2k))片上网络拓扑结构，其特征在于：SCDL(2m，2k)互连网络拓扑由4m×2k个处理单元(ProcessElement，PE)和4m个交换节点组成，SCDL(2m，2k)互连网络拓扑中一个交换节点连接4个处理单元，对于4m×2k个处理单元和4m个交换节点的SCDL(2m，2k)互连网络拓扑，按如下方法来连接：1)首先，每2k个处理单元连接成星型网络拓扑结构，共得到4m个星型结构；2)将4m个星型结构中交换节点连接成DL(2m)互连网络拓扑结构，这样就形成了包含4m×2k个处理单元和4m个交换节点的SCDL(2m，2k)互连网络拓扑。

2、如权利要求1所述的一种星簇双环片上网络拓扑结构，其特征在于：SCDL(2m，2k)的交换节点和处理单元采用如下编码方法，每个处理单元编码由两部分(A_s，A_d)组成，其中A_d采用m+1位二进制约翰逊码为每个星型结构的编码即双环中的交换节点编码，A_s采用k位二进制约翰逊码为星型结构内处理单元的编码。

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