CN103618673A - 一种保障服务质量的片上网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保障服务质量的片上网络路由器设计方法，该方法包括：IP核将数据包发送到网络接口，由网络接口把数据包封装成符合传输约定的微片结构；在头微片中指明本次数据传输是否关键数据包，如果是关键数据包，路由器采用专用通道传送到目的路由节点，并且附加上ECC纠错编码数据提高传输的可靠性；结合使用改进的确定性路由算法，提高NoC节点的数据传输效率。本发明能够有效改善片上网络中关键数据包的拥塞状况，并能提供高可靠的网络通信质量，适合航空电子系统中机载IP核的集成应用。

Description

一种保障服务质量的片上网络路由方法

技术领域

本发明属于片上网络技术领域，特别涉及一种保障服务质量的片上网络路由器设计方法。

背景技术

在大规模复杂SoC设计中，如何有效地连接片上资源，包括处理器、控制器、存储器等异构IP核，是影响片上系统性能的关键因素。针对传统总线在复杂SoC的IP核互连中存在的全局连线长、可扩展性差等问题，欧美一些研究机构提出了一种全新的以通信为中心的片上系统通信结构—片上网络（Network on Chip，NoC）。片上网络NoC采用基于数据包的传输方式，为模块之间的互连提供高效、可靠、灵活的通信架构，成为解决复杂SoC设计中全局互连与通信问题的有效方案。

作为解决复杂SoC的片上通信问题的先进方案，片上网络设计要求达到高吞吐量，低延时等通信性能目标。一个面向特定应用（如，航空电子系统应用）的片上网络，从拓扑结构的选择、数据传输协议的制定、交换与路由策略的设计等各个过程都拥有巨大的灵活性，不同的片上网络设计在性能上存在巨大差异。

现有的片上网络技术中，路由器节点设计方法比较丰富，由于各种不同的目的产生了多种优化算法。经对现有技术文献的检索发现，公开号为CN101540786A，公开日为2009年9月23日（申请号：200910097646.5）的专利文件公开了一种面向外设需求的片上网络通讯优化方法，将NoC针对不同IO需求，将NoC分割成多个逻辑独立的网络，平衡外部IO与内部线程任务的通讯流量。通过地理位置的差异性，通过合适的节点位置设计，任务映射方式，优化片上网络通讯。

公开号为CN10238780A，公开日为2012年3月21日（申请号：201110321491.6）的专利文件公开了一种片上网络虫洞路由容错方法，该方法通过判断关键数据包，对每个数据微片（data flit）发送两次或两次以上，接收时进行奇偶校验和双模冗余校验，将正确结果提交给NI接口。

上述现有技术中存在以下缺陷：片上网络路由器的容错手段采用冗余数据传输，通信效率不高；片上网络没有通过路由器节点本身的专用通道设计来提供服务质量保证（QoS），特别是对于航空电子的应用，实时性难以保证；采用普通奇偶校验，纠错能力不强。因此需要一种提供QoS的片上网络路由器，采用ECC编码以及专用通道，进行可靠并且实时性强的数据传输，达到机载系统中IP核集成应用的实际需求。

发明内容

为克服现有技术未设计专用通道来保证关键数据包在片上网络中得到快速响应的服务，未采用纠错编码来提高传输可靠性等缺陷，本发明的目的在于提供一种保障服务质量的片上网络路由方法，基于结合虚拟通道（VC）与专用通道的优点，提供低延时、低抖动的网络通信，并采用改进的确定性路由算法，使得多个机载IP核之间可以建立灵活的Mesh网络，进行无死锁的通信。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种保障服务质量的片上网络路由方法，该方法包括以下步骤：

在网络接口端：

a)IP核将数据包发送到网络接口，由网络接口把数据包封装成符合传输约定的数据帧，数据帧结构为头微片，数据微片以及尾微片，所述头微片中包含一个关键数据包字段；

b)在头微片的关键数据包字段中指明本次数据传输是否关键数据包；

c)将数据包发送到路由器；

d)从路由器接收数据，去除数据包格式然后将消息发送到IP核；

在路由器端：

e)路由器的输入端口接收数据包，对头微片中关键数据包字段进行识别，如果是关键数据包，路由器采用专用通道传送；如果不是关键数据包，使用正常的虚拟通道传送；

f)根据目的地址及路由算法，将数据包发送到下一路由器或者网络接口。进一步，所述步骤b中，还包括网络接口对关键数据包在数据微片后附加校验码，所述步骤d中还包括网络接口对关键数据包的校验码进行解码并验证数据是否正确，如错误则丢弃放数据包并要求重新发送。

优选地，所述校验码使用ECC编码，采用汉明码，可以检查出数据传输中同时出现2bit的错误，并丢弃该数据包重新传送，可以纠正数据传输中出现的1bit错误。

优选地，所述路由算法为当目的节点在当前节点的北边时，采用XY路由算法，即沿着先X方向传输，再Y方向传输当目的节点，当目的节点在当前节点的南边时，采用YX路由算法即沿着先Y方向传输，再X方向传输。

优选地，所述路由器包含输入端口、缓冲区队列、交叉开关部件、虚拟通道仲裁、专用通道分配与路由单元、输出端口、输出本地端口，所述缓冲区队列包含一条以上虚拟通道与一条专用通道，缓存经过路由节点的报文数据；

所述交叉开关用于连接输入缓冲和输出缓冲；

所述专用通道分配与路由单元负责控制数据通路选择以及交叉开关的开/关；

所述输入端口接收数据包并读取头微片中的信息；

所述输出端口、输出本地端口根据目的地地址将数据报输出到下一路由器或网络接口。

优选地，所述虚拟通道为4条通道，由专用通道分配与路由单元按照先入先出的原则选择通道。

与相有技术相比，本发明易于硬件（FPGA等可编程器件或ASIC芯片）实现，随着航空电子系统数据传输带宽的剧增，机载IP核互连需要采用片上网络（NoC）型方式来取代传统的总线型方式，而通用的NoC结构并不适合机载多IP核互连的实际应用，针对面向实时应用的机载系统对NoC提出的低延迟和低抖动的通信质量要求，NoC需要提供不同级别的服务来满足不同的通信要求。一般把NoC提供的服务分为两种类型：尽力而为（Best-Effort,BE）服务和有保障（Guaranteed-Services,GS）服务。BE服务属于基本的网络传送服务，是指把数据流尽快地传送到信宿，一般具有高的网络资源利用率，但没有明确的时间保证。在对实时性有严格要求的航空电子系统中，无法满足各种应用对网络传输质量的不同要求。在机载IP核互连的应用中，必须具有带宽、时延、抖动等服务质量（QoS）保障的要求。

本发明对GS服务的实现采用虚电路方式，是指通过预留资源使关键数据流在逻辑上与网络中其他数据流隔离开，从而避免流量堵塞，以此保障服务质量，属于硬保障。虚电路可以采用虚拟通道、时间片或并行交叉开关等方式来实现。而GS服务的另外一种实现方法如采用数据包分优先级方式，是指通过对数据包设定不同的优先级来保障需要的服务质量，采用这种方式优点在于资源利用率高，但当有太多的高优先级数据包同时进行网络传输时，会导致服务质量的下降，即利用分优先级的方式保障服务质量是具有统计特性的，称为软保障。

硬GS在机载系统实时处理中有着重要应用，图像应用通常要求通信具有较小的时延抖动和稳定的传输速率，这就要求网络必须提供硬GS以保障带宽和时延抖动。采用专用通道的设计方法来缩短延迟敏感的数据包经过的流水线长度，使用有限的硬件开销，使敏感数据快速转发至下一节点，缩短了中转时间，并缓解了头部阻塞现象。同时还能加快被中断的抖动敏感数据的传输过程，减小相邻数据包的延迟差异，为低延迟与低抖动QoS的实现提供了硬件保障。

对于NoC中的关键数据包，不但要通过硬GS来保证通信的实时性，还要附加上ECC编码数据来保证数据传输的可靠性，本发明采用汉明码。对于64位数据的ECC编码数据如下表所示，其中D0-D63表示64位数据，P0-P7表示编码位。

D63

D62

D61

D60

D59

D58

D57

P6

1000

D56

D55

D54

D53

D52

D51

D50

D49

0111

D48

D47

D46

D45

D44

D43

D42

D41

0110

D40

D39

D38

D37

D36

D35

D34

D33

0101

D32

D31

D30

D29

D28

D27

D26

P5

0100

D25

D24

D23

D22

D21

D20

D19

D18

0011

D17

D16

D15

D14

D13

D12

D11

P4

0010

D10

D9

D8

D7

D6

D5

D4

P3

0001

D3

D2

D1

P2

D0

P1

P0

No error

0000

111

110

101

100

011

010

001

000

其中，P0-P7的计算方法如下：

P0:异或所有的数据（001,011,101,111）列；

P1:异或所有的数据（010,011,110,111）列；

P2:异或所有的数据（100,101,110,111）列；

P3:异或所有的数据（0001,0011,0101,0111）列；

P4:异或所有的数据（0010,0011,0110,0111）列；

P5:异或所有的数据（0100,0101,0110,0111）列；

P6:异或所有的数据（1000）列；

P7:异或所有的数据和编码位(P0-P6)；

在给定的网络拓扑下，路由算法决定了数据包在网络中的投递路径，即报文传输从源IP核到目的IP核的路径选择，其选择需要与网络拓扑结构和网络负载相结合。路由算法一般可以分为确定性算法与适应性算法两大类。确定性路由通过静态地对网络拓扑结构进行分析，给定数据包的源地址和目的地址以后，即可确定其路由路径。在NoC路由器的路由算法设计上，本发明使用改进的确定型路由算法。当数据到达路由节点时，并不是总是沿着先X方向传输，再Y方向传输，而是采取判断的方式，当目的节点在当前节点的北边时，采用XY路由算法，当目的节点在当前节点的南边时，采用YX路由算法（即先Y方向传输，再X方向传输）。这样避免了数据的拥塞，提高了通信效率。

本发明所述方法对多种需要服务质量的NoC路由器设计具有良好的适应性，易于硬件实现，可以嵌入芯片中。

附图说明

图1为传统的NoC路由器数据帧格式示意图

图2为本发明实施例中数据帧格式示意图。

图3为本发明实施例中头微片格式示意图

图4为本发明实施例中保障服务质量的片上网络路由器节点架构图。

图5为本发明实施例中附加ECC编解码示意图。

图6为本发明实施例中的路由器在机载片上网络中的应用示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1为传统的NoC路由器数据帧格式，传统的NoC路由器大多采用虫孔路由方式，将数据帧划分成多个微片（flit）进行数据传输，包括头微片（head flit），数据微片（data flit）以及尾微片（tail flit）。图2为本发明实施例中QoS路由器数据帧格式示意图，在head flit中添加了flag标志，用于标明该数据帧是否关键数据帧，同时在data flit后面添加了ECC flit，采用汉明码实现检二纠一的功能。图3为本发明实施例中QoS路由器数据帧头微片（head flit）的示意图，包含了头片标志，数据长度等信息。

图4为发明实施例中QoS路由器节点架构图。如图4所示，路由器节点主要负责IP核间的信息交换和路径选择，根据选定的协议传输数据，决定着片上网络的开销（面积，能耗）和性能。它主要包括缓冲区队列（虚拟通道与专用通道）、交叉开关部件、虚拟通道仲裁、专用通道分配与路由单元等部件。缓冲区用于缓存经过路由节点的报文数据，交叉开关用于连接输入缓冲和输出缓冲，专用通道分配与路由单元负责控制数据通路选择以及交叉开关的开/关。

虚拟通道是为了防止网络堵塞造成的死锁，可以用于降低通信延迟，提高网络吞吐率。本发明中，每个数据包占用一条虚拟通道，如果一个数据包被阻塞了，其他的数据包还可以通过剩下的虚拟通道到达自己的目的地。增加虚拟通道的数量能进一步减少拥塞的概率，但是片上的存储资源是宝贵的，本发明中的虚拟通道数目设置为4。

图5为本发明实施例中附加ECC编解码示意图。如图5所示，发送端通过附加ECC编码模块，将每64bit网络数据附加8bit汉明码编码数据进行传送，并通过在接收端附加ECC解码模块，可以检查出数据传输中同时出现2bit的错误（此时路由节点会丢弃该数据包并重新传送），可以纠正数据传输中出现的1bit错误，大大提高了数据传输的正确性。

图6为本发明实施例中的路由器设计在机载片上网络中的应用示意图。如图6所示，IP1、IP2、IP3、IP4可以是任意机载IP核，如图形显示、视频压缩、Arinc429等等；FPGA外围连接了多种不同的PHY芯片，为不同应用提供物理层支持；NI是基于NoC的网络接口，负责封装IP核和NoC路由器；

NoC路由器通过网络接口（NI）连接各个应用IP核。网络接口负责封装IP核和路由器，有两方面的作用。一个是负责从处理IP核收集信息，进行分组的格式化并且插入到网络中。另一个作用是收集从网络中来的分组，去格式化然后将消息发送到处理单元。作为IP核连接到NoC网络的接口，它将计算（核）与通信（网络）分离。

动态重构技术允许FPGA在运行期间，这使得NoC在航空电子系统中得到灵活应用，为系统提供了“Hot-Plug”（热插拔）功能。图6中左半部分为静态区域，完成该模块的固定功能。右半部分为动态重构区域，如IP2，IP3可以灵活连接FPGA外部不同的物理层接口收发器（PHY），当系统重构后，IP2与IP3的功能即可随之改变，完成不同的系统任务。当IP2、IP3和IP4为运算IP核时，也可以重构成不同的运算IP核，完成不同的计算功能，通过NoC互连传递到相应的其他IP核模块。

NoC路由器本身提供了灵活的扩展能力，如数据位宽，互连端口个数等，可以灵活对多个IP核进行互连，或者通过桥接IP核连接到标准功能模块上，满足系统对通用核心处理模块的功能需求。

在本发明实施例中，所使用装置的硬件较佳地可以是可编程逻辑器件，如FPGA等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种保障服务质量的片上网络路由方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在网络接口端：

a)IP核将数据包发送到网络接口，由网络接口把数据包封装成符合传输约定的数据帧，帧结构为头微片，数据微片以及尾微片，所述头微片中包含一个关键数据包字段；

b)在头微片的关键数据包字段中指明本次数据传输是否关键数据包；

c)将数据包发送到路由器；

d)从路由器接收数据，去除数据包格式然后将消息发送到IP核；

在路由器端：

e)路由器的输入端口接收数据包，对头微片中关键数据包字段进行识别，如果是关键数据包，路由器采用专用通道传送；如果不是关键数据包，使用正常的虚拟通道传送；

f)根据目的地址及路由算法，将数据包发送到下一路由器或者网络接口。

2.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的片上网络路由方法，其特征在于，所述步骤b）中，还包括网络接口对关键数据包在数据微片后附加校验码，所述步骤d）中还包括网络接口对关键数据包的校验码进行解码并验证数据是否正确，如错误则丢弃放数据包并要求重新发送。

3.根据权利要求2所述的一种保障服务质量的片上网络路由方法，其特征在于，所述校验码使用ECC编码，采用汉明码，可以检查出数据传输中同时出现2bit的错误，并丢弃该数据包重新传送，可以纠正数据传输中出现的1bit错误。

4.根据权利要求1所述的一种保障服务质量的片上网络路由方法，其特征在于，所述路由算法为当目的节点在当前节点的北边时，采用XY路由算法，即沿着先X方向传输，再Y方向传输当目的节点，当目的节点在当前节点的南边时，采用YX路由算法即沿着先Y方向传输，再X方向传输。

5.根据权利要求1所一种保障服务质量的片上网络路由方法，其特征在于，所述路由器包含输入端口、缓冲区队列、交叉开关部件、虚拟通道仲裁、专用通道分配与路由单元、输出端口、输出本地端口，所述缓冲区队列包含一条以上虚拟通道与一条专用通道，缓存经过路由节点的报文数据；

所述交叉开关用于连接输入缓冲和输出缓冲；

所述专用通道分配与路由单元负责控制数据通路选择以及交叉开关的开/关；

所述输入端口接收数据包并读取头微片中的信息；

所述输出端口、输出本地端口根据目的地地址将数据报输出到下一路由器或网络接口。

6.根据权利要求5所述的一种保障服务质量的片上网络路由方法，其特征在于，所述虚拟通道为4条通道，由专用通道分配与路由单元按照先入先出的原则选择通道。

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