CN102368739A - 面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向包-电路交换片上网络路由器的广播机制算法，根据片上网络拥塞情况进行路由仲裁，根据链路资源的占用情况动态改变路由路径，记录满足路由条件的输出端口，当遇到有两个可能路径的情况时，采用广播机制，同时选择两条可能路径进行路由尝试，每条路由尝试中都采用了回退转向路由算法，能够避免死锁，选择两条路径中先建立的链路进行数据传输，释放掉另外一条未建立的链路。本发明在同一时间内尝试不同的路由路径，从而可以充分利用网络资源，有效避免了拥塞，同时几乎不影响吞吐量情况下减小了平均包延迟。本发明资源消耗少、传输延时小，适用于实现高性能的片上网络系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向包-电路交换片上路由器路由算法，具体地说是一种面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法。
背景技术
片上网络（NoC）由资源节点（Resource）、路由器（Router）、链路（Channel）和网络接口（Network Interface, NI）组成，如图1所示：
11为资源节点：执行计算和存储任务的节点。
12为路由器：也称为开关节点或通讯节点，执行通信任务。
13为链路：指资源节点和开关节点之间、开关节点和开关节点之间的连线，图1中的E、W、N、S和L。
14为网络接口：指资源节点和开关节点之间的接口，通常划分在资源节点中。只有配备了网络接口的资源节点才能连接到网络上与其他资源节点进行通信。
NoC相对于传统的总线架构，在可扩展性、可重用性、设计效率、带宽、延时等方面都具有优势，为解决片上通信和全局时钟同步问题提供了有力的解决方案。在片上网络系统中，片上路由器设计的优劣将直接影响整个NoC系统的性能，而路由算法又是路由器设计的核心，决定了路由器的优劣。根据不同的片上网络拓扑结构和交换方式采用不同的路由算法将对片上网络通信性能产生影响。同时随着集成电路规模的增加，片上路由器将大量存在于片上网络系统中，因此设计片上网络路由器的时候，需要选择硬件资源消耗少、实现成本低的路由算法。目前，应用较为广泛的路由算法有动态XY路由算法（Dy_XY）、回退路由算法等。
基于包-电路交换的片上路由器，链路的建立通过发送请求包完成，而数据的传输采用电路交换的方式。在包-电路交换中，建立链路的路由延时与网络情况有关；链路建立以后，数据传输便不再依赖于网路情况，数据传输延时小而且可预测，这使得包-电路交换更适用于大量、连续数据传输，而且具有强实时性要求的网络架构中。包-电路交换片上路由器的每个输入（或输出）通道，只需要存储一个数据包，因此包-电路交换路由器的面积较小，资源消耗少。
随着对于片上网络性能要求的不断提高，许多传统的算法比如静态XY算法和动态XY算法等，已经不能够满足目前片上路由器对于网络通信效率和时间延时的要求，因此新的路由算法来实现高性能的片上网络是非常必要的。
发明内容
为了提高片上网络的通信能力和效率，本发明的目的是提出一种面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法，该路由算法所用路由器成本低，性能高，能有效避免片上网络拥塞，最大化网路通信效率，有效改善平均吞吐量和平均包延迟，降低路由算法实现复杂度，满足片上网络高性能的要求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法，其特征在于：该路由算法为自适应路由算法，路由器根据片上网络拥塞情况进行路由仲裁，动态选择路由路径，记录满足路由条件的输出端口，采用广播式机制向可以路由的输出端口发送建立包，选择可以先建立的链路进行数据传输，释放另外一条链路，实现广播式路由，避免拥塞减小片上网络传输中的包延时；具体步骤如下：
1）如果X方向和Y方向的输出端口同时满足路由条件并且至少有一个方向不被占用，那么存储这两个端口信号；如果只有X方向或者Y方向中一个输出端口满足路由条件且不被占用，只存储这一个端口号；如果没有输出端口同时满足路由条件且不被占用，那么不存储任何端口；
2）在满足路由条件并且链路不被占用时，若X方向和Y方向均满足此条件，同时向满足路由条件的X方向链路和Y方向链路发送请求信息，进行数据传输；只有一个方向满足时则只向该方向条链路发送请求信息，进行数据传输。
本发明中，在选择两个路由方向时，同时对这两个方向进行路由，选择首先获得反馈建立信号的那条链路进行数据传输，释放掉另外一条链路资源使其继续用于其他路由过程中；如果先收到一条链路反馈的路由失败信号，则放弃该链路，等待另外一条链路的反馈信号，若另外一条链路路由成功，则进行数据传输。
在两个方向同时路由时，如果同时获得两条链路反馈的链路建立信号，则选择优先级高的X方向进行数据传输；如果两条链路全都路由失败，则向上一级路由器反馈路由失败信号。
本发明在每一条链路的路由过程中采用动态路由方式，根据链路资源的占用情况进行路由仲裁，不向180度方向折回路由，并且不向原来目的节点的方向路由，因而不会引起死锁或者活锁问题。
本发明中，所述路由器包括依次连接的输入状态机、优先编码器、地址译码器、仲裁器和输出状态机；
输入状态机接收上一级路由器的路由请求信号，控制输入通道的工作状态，并将接收的请求信号传送给优先级编码器；路由失败时传递失败信号；
优先编码器根据优先设定的优先级顺序对请求信号进行编码，选出优先处理的输入端口；
地址译码器根据优先处理的输入端口中的请求信号，将目标节点地址信号转变为路由方向信号输出；
仲裁器接收地址译码器的解码结果，根据链路的占用情况，存储解码结果中不被占用的输出端口号，将输入端口与所有合适的端口相连，一个输入端口最多能与两个输出端口相连，并记录链路占用情况；没有被存储的输出端口时，通过输入状态机向上一级路由器发送路由失败信号；通过输出状态机收到下一级路由器的路由失败信号时，根据存储的其他可能的输出端口号和链路占用信息，重新选择输出端口，直到选择合适的路径到达目的节点；
输出状态机接收仲裁器的输入端口与输出端口互连信号，向下一级路由器传递路由请求信号，控制输出通道的工作状态，并将接收的路由失败信号，传送给仲裁器。
本发明所述路由算法及所用路由器，在选择路由路径时，采用广播机制向可能路径都发送路由请求，选择最先反馈建立信号的路径进行数据传输，而且在每条路径上路由时根据链路资源占用情况选择路由仲裁，不向180度方向折回同时不向原来目的节点的方向路由，不会引起死锁或活锁问题。
与现有技术相比，本发明实现成本低，性能高，能最快的选取网络路径，降低平均包延时，提高网络通信效率，有效地改善了网络拥塞情况，满足更高性能片上路由器对吞吐率和平均包延时等通信性能的要求。与动态XY路由算法和回退路由转向算法相比，本发明公开的广播机制路由算法可以使片上网络的平均包延迟最大分别改善32.74%和22.68%，优势覆盖了整个负载条件；综合来看本发明优势明显，本发明适用于实现面向实时性的高性能片上网络系统。
附图说明
图1是NoC结构示意图；
图2是本发明所述路由器的结构示意图；
图3是本发明算法实现结构示意图；
图4是本发明中数据包格式示意图；
图5是本发明的4×4二维网格片上网络硬件结构示意图；
图6是采用本发明的路由器与采用动态XY路由算法的路由器和回退转向路由算法的路由器实现结果平均包延迟比较示意图。
具体实施方式
一种面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法，该路由算法为自适应路由算法，路由器根据片上网络拥塞情况进行路由仲裁，动态选择路由路径，记录满足路由条件的输出端口，采用广播式机制向可以路由的输出端口都发送建立包，选择可以先建立的链路进行数据传输，释放另外一条链路，实现广播式路由，避免拥塞减小片上网络传输中的包延时；具体步骤如下：
1）如果X方向和Y方向的输出端口同时满足路由条件并且至少有一个方向不被占用，那么存储这两个端口信号；如果只有X方向或者Y方向中一个输出端口满足路由条件且不被占用，只存储这一个端口号；如果没有输出端口同时满足路由条件且不被占用，那么不存储任何端口号。
2）在满足路由条件并且链路不被占用时，若有X方向和Y方向两个方向满足此条件，同时向满足路由条件的所有链路即X方向链路和Y方向链路发送请求信息；只有一个方向满足时则只向这一条链路发送起请求信息。
本发明采用动态式广播机制，在有两个路由方向可以路由时，对两个方向都进行路由，选择首先获得反馈建立信号的那条链路进行数据传输，释放掉另外一条链路资源使其可以继续用于其他路由过程中，如果先收到一条链路反馈的路由失败信号，则放弃该链路，等待另外一条链路的反馈信号，若另外一条链路路由成功，则进行数据传输。
同时对两个方向进行路由时，如果同时获得两条链路反馈的链路建立信号，则选择优先级高的方向进行数据传输，即X方向；如果两条链路全都路由失败，则向上一级路由器反馈路由失败信号。
在每一条链路的路由过程中采用动态路由方式，根据链路资源的占用情况进行路由仲裁，不向180度方向折回路由，并且不向原来目的节点的方向路由，不引起死锁或者活锁问题。
图2是本发明所述路由器的结构示意图；所用的路由器包括依次连接的输入状态机1、优先编码器2、地址译码器3、仲裁器4和输出状态机5。
输入状态机1接收上一级路由器的路由请求信号，控制输入通道的工作状态，并将接收的请求信号传送给优先级编码器2；路由失败是传递路由失败信号；
优先编码器2根据优先设定的优先级顺序对请求信号进行编码，选出优先处理的输入端口；
地址译码器3根据优先处理的输入端口中的请求信号，将目标节点地址信号转变为路由方向信号输出；
仲裁器4接收地址译码器的解码结果，根据链路的占用情况，存储解码结果中不被占用的输出端口号，将输入端口与所有合适的端口相连，此时一个输入端口最多可能与两个输出端口相连，并记录链路占用情况。没有可以被选择的输出端口时，通过输入状态机向上一级路由器发送路由失败信号；通过输出状态机收到下一级路由器的路由失败信号时，根据存储的其他可能的输出端口号和链路占用信息，重新选择输出端口，直到选择合适的路径到达目的节点；
输出状态机5接收仲裁器的输入端口与输出端口互连信号，向下一级路由器传递路由请求信号，控制输出通道的工作状态，并将接收的路由失败信号，传送给仲裁器。
通过仲裁器选定输入输出端口互连信号并进行正确互连之后，进入数据传输阶段，输入端口的数据信号通过数据通路直接传递给下一结点，而不经过控制通路。当目标节点释放链路时，数据通路内相应输入端口与输出端口的连接关系被撤销。
广播机制路由算法在片上路由器中实现时由如图3所示四部分组成：RETRO（广播仲裁模块）模块，DEST（地址状态模块）模块，CONN（连接模块）模块，OCU（通道使能模块）模块。广播仲裁模块执行路由策略，接收下游路由器节点反馈的路由失败信号fail[i]和链路建立成功信号ack[i]，并产生连接模块的控制信号和传递给上游路由器节点的路由失败信号fail_o[i]；地址状态模块接收地址解码后满足路由条件的可能的输出端口号reg_in[i]信号，结合输出通道的占用情况记录这些可能的输出通道号；连接模块产生输入与输出端口连接信号link[i]；通道使能模块产生端口占用信号occupied[i]。
本实施例采用广播机制路由算法的路由器节点构成4*4二维网格片上网络系统，其硬件结构如图5所示，其中R为路由器、LS为本地子系统、IP为IP核、NI为网络接口。此片上系统由广播机制路由算法片上路由器、链路和本地子系统组成。广播机制路由算法片上路由器是网络的核心部件；本地子系统包含一个数据发生器和一个数据接收器，分别用于发送和接收数据。该实验用例的功能是本地子系统通过片上网络系统发送和接收数据。
本实验用例系统配置如下：“包-电路交换”，广播机制路由算法，数据片宽度为34位，结构如图4所示，包长度为50个数据片，系统每次模拟运行的时间为25，000个时钟周期。实验结果显示，与动态XY路由算法和回退转向路由算法相比，广播机制路由算法在平均包延迟上面有很大的改善，如图6所示，最大改善程度分别能够达到32.74%和22.68%。同时在不同的网络负载条件下，广播机制路由算法都优于动态XY算法和回退路由转向算法。
对于不同的应用，只需要将本实例中的本地子系统替换成处理单元或存储单元，从而可以支持具体的应用。广播机制路由算法可以最大化网络通信速率，复杂度低，可用于实现高吞吐量、低成本、低延迟的片上路由器，适用于高性能的片上网络系统。
Claims (5)
1.一种面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法，其特征在于：该路由算法为自适应路由算法，路由器根据片上网络拥塞情况进行路由仲裁，动态选择路由路径，记录满足路由条件的输出端口，采用广播式机制向可以路由的输出端口发送建立包，选择可以先建立的链路进行数据传输，释放另外一条链路，实现广播式路由，避免拥塞减小片上网络传输中的包延时；具体步骤如下：
1）如果X方向和Y方向的输出端口同时满足路由条件并且至少有一个方向不被占用，那么存储这两个端口信号；如果只有X方向或者Y方向中一个输出端口满足路由条件且不被占用，只存储这一个端口号；如果没有输出端口同时满足路由条件且不被占用，那么不存储任何端口号；
2）在满足路由条件并且链路不被占用时，若X方向和Y方向均满足此条件，同时向满足路由条件的X方向链路和Y方向链路发送请求信息，进行数据传输；只有一个方向满足时则只向该方向条链路发送请求信息，进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法，其特征在于：步骤2）中，在选择两个路由方向时，同时对这两个方向进行路由，选择首先获得反馈建立信号的那条链路进行数据传输，释放掉另外一条链路资源使其继续用于其他路由过程中；如果先收到一条链路反馈的路由失败信号，则放弃该链路，等待另外一条链路的反馈信号，若另外一条链路路由成功，则进行数据传输。
3.根据权利要求1所述的面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法，其特征在于：步骤2）中，在两个方向同时路由时，如果同时获得两条链路反馈的链路建立信号，则选择优先级高的X方向进行数据传输；如果两条链路全都路由失败，则向上一级路由器反馈路由失败信号。
4.根据权利要求1所述的面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法，其特征在于：在每一条链路的路由过程中采用动态路由方式，根据链路资源的占用情况进行路由仲裁，不向180度方向折回路由，并且不向原来目的节点的方向路由。
5.根据权利要求1所述的面向包-电路交换片上路由器的广播机制路由算法，其特征在于：所述路由器包括依次连接的输入状态机（1）、优先编码器（2）、地址译码器（3）、仲裁器（4）和输出状态机（5）；
输入状态机（1）接收上一级路由器的路由请求信号，控制输入通道的工作状态，并将接收的请求信号传送给优先级编码器（2）；路由失败时传递失败信号；
优先编码器（2）根据优先设定的优先级顺序对请求信号进行编码，选出优先处理的输入端口；
地址译码器（3）根据优先处理的输入端口中的请求信号，将目标节点地址信号转变为路由方向信号输出；
仲裁器（4）接收地址译码器的解码结果，根据链路的占用情况，存储解码结果中不被占用的输出端口号，将输入端口与所有合适的输出端口相连，一个输入端口最多能与两个输出端口相连，并记录链路占用情况；没有被存储的输出端口时，通过输入状态机（1）向上一级路由器发送路由失败信号；通过输出状态机（5）收到下一级路由器的路由失败信号时，根据存储的其他可能的输出端口号和链路占用信息，重新选择输出端口，直到选择合适的路径到达目的节点；
输出状态机（5）接收仲裁器的输入端口与输出端口互连信号，向下一级路由器传递路由请求信号，控制输出通道的工作状态，并将接收的路由失败信号，传送给仲裁器。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120307 |