CN104796343A - 一种基于片上网络的通信结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片上网络的通信结构，在n×n的片上网络上搭建的由路由器和流量控制器两部分构成的通信结构，n≥2。路由器包括输入接口单元、路由控制单元和多路选择单元。流量控制器包括接口单元和控制单元。路由器与流量控制器相连接的接口数据分组的通信是双向的。流量控制器的每个接口单元连接一个路由器，路由器通过网络接口NI(Network Interface)与片上网络中的IP核相连。本发明具有结构简单、资源利用率高、负载均衡性好和通信效率高的特点，并可以通过IP复用技术组成通信网络，应用在片上网络系统中。

Description

一种基于片上网络的通信结构

技术领域

本发明属于电子物理技术领域，更进一步涉及微电子技术领域中的一种基于片上网络的通信结构。该通信结构包括两部分：路由器和流量控制器；本发明是建立在片上网络NoC(Network-on-Chip)基础上，在NoC的各个网络节点上通过路由器采用分组交换的方法实现对节点中来自不同方向的数据流的均衡、高效的分组，通过流量控制器对数据分组传输，组成一个具有计算和通信功能的完整通信系统，很好的解决了由于目前片上系统的规模越来越大，使IP核急剧增加带来的数据传输的延时问题和数据传输的不均衡问题。

背景技术

随着集成电路工艺尺寸的等比例减小，片上系统的规模越来越大，单一芯片上集成的处理器核——IP核的数量迅速增加，需要更高的核间通信的带宽来满足系统的要求。当片上系统的处理器核数量较少的时候，采用交叉开关等集中式的互联结构可以满足系统的要求。但是，随着芯片中处理器数量的迅速增加，这种集中式的互联结构出现了以下问题：(1)互联结构的可扩展性比较差，不利于系统的规模的扩大；(2)设计复杂度和面积开销较大，不利于多核片上系统的设计。基于片上网络NoC(Network-on-Chip)的结点路由器采用数据分组交换的方法替代传统的总线通讯方法，和流量控制器共同组成具有计算和通信功能的完整系统，很好的解决了集中式互联结构出现的问题。

传统的多核片上系统SoC(System-on-Chip)采用的核间通信机构主要包括总线式结构和交叉开关式结构，这两种结构虽然在多核片上系统SoC的设计上应用广泛，但是如果片上系统的IP核的数量大量增加，传统的片上系统核间通信结构一方面在设计复杂度和系统的可扩展性上面临严峻的挑战，另一方面多核间互联线的延迟和系统的功耗问题也越来越突出。二维网状片上网络结构(2DMesh)的规则性和易扩展性，有利于布局布线。本发明就是基于二维网状片上网络结构的变型，提出来一种均衡负载、结构简单、可复用的片上网络拓扑结构。本发明的目的就是为解决复杂片上系统SoC面临的性能、功耗、延时和可靠性等各种问题。

中国航空无线电电子研究所申请的专利“一种低缓冲区上网络路由器及路由方法”(申请号201410437689.4，公开号CN104158738A，公开日为2014.11.19)中公开了一种低缓冲区片上网络路由器的结构。该路由器包括n个输入端口，n个输入寄存器、路由计算模块、优先级计算模块、端口分配模块、交叉开关、p个单微片缓存器，p个输出端口。当高优先级与次高优先级微片出现有效输出端口竞争时，端口分配模块根据优先级仲裁策略将次高优先级微片发送至相应的单微片缓存器，当其它低优先级微片竞争此端口时，分配偏转输出端口；待输出端口空闲时将次高优先级微片直接输出至下级路由节点。该专利技术存在的不足是，虽然该路由器结构降低了网络的面积和功耗，但是采用低缓冲区片上网络路由器使得片上网络中数据的传输延时增大同时设计也较为复杂。

西安邮电学院拥有的专利技术“一种双层双环型片上网络拓扑结构”(申请号200810232463.5，授权公告号CN 101420380 B，公开日为2009.04.29)中公开了一种双层双环型片上网络拓扑结构。该网络拓扑结构包括IP单元、交换单元、网络适配器、链路单元等。其中交换单元实现各IP单元的相互通信，使用时分复用和优先级相结合机制，实现了公平路由和带宽的空分复用。该专利技术存在的不足是，网络拓扑结构需要两组环网，每组环中又包含一个控制环和一个数据环，环网拓扑结构的网络直径较小，路径多样性较差，硬件资源开销较大。

冯超超的博士学位论文“片上网络无缓冲路由器关键技术研究”(国防科技大学2012.4)中提出了一种在复杂环境下有效应对故障的无缓冲路由结构。该路由结构是一种基于置换网络的单周期高性能无缓冲路由器(BLESS_PERM)，采用一个简单的两级置换网络替代了原路由器中串行化的交换分配器以及交叉开关，缩短了关键路径的逻辑级数，可以提高实现的时钟频率。该片上网络无缓冲路由器存在的不足之处是：在片上系统的核间数据通信比较频繁的时候容易出现负载不均衡的问题和数据传输的拥塞问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于片上网络的通信结构，解决现有发明片上网络多核间大量数据分组通信的通信效率低，通信结构复杂，路径多样性差，网络负载不均衡的问题。本发明具有结构简单、硬件开销少、通信效率高、网络负载均衡的特点，可以满足系统在短时间内及时处理大量数据的要求，并可以通过IP复用技术组成通信网络，应用在片上网络系统中。

实现本发明目的的片上网络的通信结构，在n×n的片上网络上搭建的由路由器和流量控制器两部分构成的通信结构，n≥2。路由器包括输入接口单元、路由控制单元和多路选择单元。流量控制器包括接口单元和控制单元。其中：

路由器中的输入接口单元，用于接收输入的数据分组，同时为数据分组提供单通缓存通道。

路由器中的路由控制单元，用于控制路由器的多路选择单元的输出，按照路由算法对从输入接口单元接收的数据分组进行路由计算，将路由结果作为数据多路选择单元的控制信号，对数据分组进行选择输出。

路由器中的多路选择单元，用于接收路由器的路由控制单元输出的传输路径信息，根据优先级信息将各个接口输入的有效数据分组中优先级最高的接口传输的数据分组输出到相应的接口上。

流量控制器中的接口单元，用于发送数据分组给路由器和接收路由器的数据分组。

流量控制器中的控制单元，用于将一组接口接收的数据分组选择性的传输至另一组接口。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，由于本发明采用路由器与流量控制器相分离的片上网络通信结构，与现有技术的只有虚通道路路由器的片上网络通信结构相比，现有技术的虚通道路路由器结构中都存在交叉开关和大量的控制逻辑，耗费大量的逻辑资源。以4×4片上网络为例，现有技术的虚通道路路由器结构需要16个交叉开关和大量的控制逻辑单元，而本发明只需要12个交叉开关和较少的控制逻辑单元，可见本发明明显减少了硬件资源开销。使得本发明具有的结构简单，硬件资源利用率高的优点。

第二，由于本发明采用流量控制器连接各个路由器，使得流量控制器可以将数据分组传输给与流量控制器接口单元相连的所有路由器，数据分组可以通过流量控制器传输给更多路由器，大大减小了网络直径，增加了数据分组传输路径的多样性，提高了路由传输效率。

第三，由于本发明的流量控制器的控制单元中数据分组控制器可以读取数据分组的信息，根据数据分组中的消息判断片上网络各个数据通路的工作状态，将数据分组均衡的分配到整个网络中。克服了现有技术网络负载不均衡的问题。使得本发明网络负载均衡性提高，降低了网络通信阻塞率。

附图说明

图1为本发明的方框图；

图2为本发明的路由器结构示意图；

图3为本发明的流量控制器结构示意图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1对本发明的片上网络的通信结构做进一步的描述。

本发明是在n×n的片上网络上搭建的由路由器和流量控制器两部分构成的通信结构，n≥2。路由器包括输入接口单元、路由控制单元和多路选择单元。流量控制器包括接口单元和控制单元。其中：

路由器中的输入接口单元，用于接收输入的数据分组，同时为数据分组提供单通缓存通道。

路由器中的路由控制单元，用于控制路由器的多路选择单元的输出，按照路由算法对从输入接口单元接收的数据分组进行路由计算，将路由结果作为数据多路选择单元的控制信号，对数据分组进行选择输出。

路由器中的多路选择单元，用于接收路由器的路由控制单元输出的传输路径信息，根据优先级信息将各个接口输入的有效数据分组中优先级最高的接口传输的数据分组输出到相应的接口上。

流量控制器中的接口单元，用于发送数据分组给路由器和接收路由器的数据分组。

流量控制器中的控制单元，用于将一组接口接收的数据分组选择性的传输至另一组接口。

路由器与流量控制器相连接的接口数据分组的通信是双向的。流量控制器的每个接口单元连接一个路由器，路由器通过网络接口NI(Network Interface)与片上网络中的IP核相连，各个IP核产生的数据分组通过网络接口NI传输到路由器中，路由器将数据分组通过流量控制器路由计算选择最优路径注入到片上网络。

参照附图2，对本发明的路由器的结构做进一步的描述。

路由器中的输入接口单元包括东输入接口、西输入接口、南输入接口、北输入接口和一个本地输入接口。图2中带有纵向条纹的矩型方框表示路由器的输入接口。

路由器中的多路选择单元包括4个二选一多路选择器和1个四选一多路选择器。图2中带有MUX标识的梯形方框表示路由器的多路选择器。

路由器中的路由控制单元包括东—西方向路由控制器、西—东方向路由控制器、南—北方向路由控制器、北—南方向路由控制器和本地路由控制器。每个路由控制器与一个路由器的多路选择器对应。

路由器中的输入接口单元的东输入接口、西输入接口、南输入接口、北输入接口四个方向输入接口，分别与其同方向的路由控制器、本地路由控制器和路由控制单元相对应的多路选择器相连。本地输入接口的输入端与本地IP接口相连，输出端分别与东输入接口、西输入接口、南输入接口、北输入接口四个方向路由控制器和路由控制器相对应的多路选择器相连。

路由控制单元中的东—西方向、西—东方向、南—北方向、北—南方四个方向路由控制器，分别与第一个二选一多路选择器、第二个二选一多路选择器、第三个二选一多路选择器、第四个二选一多路选择器对应。本地路由控制器与一个四选一多路选择器对应。

本发明中的路由器主要完成以下功能：

第1，数据分组的注入：本地IP产生的数据分组通过网络接口NI(NetworkInterface)传输到路由器中，路由器将数据分组注入到网络中。

第2，数据分组的输出：路由器从东输入接口、西输入接口、南输入接口、北输入接口四个接口接收数据，当数据分组的地址为本地IP时，路由器将数据分组从网络中输出到本地IP。

第3，数据分组的路由：若路由器接收的数据分组的目的地址不是本地IP时，则其按照路由算法将数据分组转发到相应方向上。

参照附图3，对本发明的流量控制器的结构做进一步的描述。

流量控制器中的接口单元分为左组接口和右组接口两组；接口单元在n×n片上网络中共有2×n个接口，左组接口有n个左接口，右组接口有n个右接口，其中，n≥2。图3中以基于4×4的的片上网络对应的流量控制器为例来说明其结构。其中左组接口包括：左第一接口、左第二接口、左第三接口和左第四接口，右组接口包括：右第一接口、右第二接口、右第三接口和右第四接口。

流量控制器中的控制单元包括一个数据分组控制器和n个n输入多路选择器。每个流量控制器有两个控制单元，两个控制单元输入输出方向相反。其中，n≥2。图3中以基于4×4的的片上网络对应的流量控制器为例来说明其结构。图3中两个矩形方框的标识分别第一个控制单元和第二个控制单元。图3中带有MUX标识的梯形方框表示流量控制器的多路选择器。

流量控制器中的接口单元采用双向通信方式。接口单元外端与路由器的输入接口单元相连。接口单元内端分为接收数据分组路与发送数据分组路两路。接收数据分组路与第一个控制单元中的n个n输入多路选择器中的一个多路选择器的输出端相连。发送数据分组路与第二个控制单元中的数据分组控制器和n个n输入多路选择器的输入端相连，其中，n≥2。

流量控制器中的两个控制单元中的每个n输入多路选择器输出端都与其中一组接口单元的接收路相连；流量控制器中的每个控制单元根据接收到的数据分组进行路由计算，通过控制n输入多路选择器将数据分组通过n输入多路选择器输出至另一组输出接口。

本发明提出的通信结构中路由器只需要根据输入接口的方向决定输出接口的方向，由流量控制器具体决定将输入数据分组传输给该接口方向上的哪一个路由器。

本发明提出的一种基于片上网络的通信结构的实现可以满足系统在短时间内及时处理大量数据的要求。在本发明中，多个路由器之间采用2D-Mesh拓扑结构相互连接，并可以通过IP复用技术组成通信网络，应用在片上网络系统中。

Claims (9)

1.一种基于片上网络的通信结构，在n×n的片上网络上搭建的由路由器和流量控制器两部分构成的通信结构，n≥2；所述的路由器包括输入接口单元、路由控制单元和多路选择单元；所述的流量控制器包括接口单元和控制单元；其中：

所述路由器中的输入接口单元，用于接收输入的数据分组，同时为数据分组提供单通缓存通道；

所述路由器中的路由控制单元，用于控制路由器的多路选择单元的输出，按照路由算法对从输入接口单元接收的数据分组进行路由计算，将路由结果作为数据多路选择单元的控制信号，对数据分组进行选择输出；

所述路由器中的多路选择单元，用于接收路由器的路由控制单元输出的传输路径信息，根据优先级信息将各个接口输入的有效数据分组中优先级最高的接口传输的数据分组输出到相应的接口上；

所述流量控制器中的接口单元，用于发送数据分组给路由器和接收路由器的数据分组；

所述流量控制器中的控制单元，用于将一组接口接收的数据分组选择性的传输至另一组接口。

2.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的通信结构，其特征在于，所述路由器中的多路选择单元包括4个二选一多路选择器和1个四选一多路选择器。

3.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的通信结构，其特征在于，所述路由器中的路由控制单元包括东西方向路由控制器、西东方向路由控制器、南北方向路由控制器、北南方向路由控制器和本地路由控制器；每个路由控制器与一个路由器的多路选择器对应。

4.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的通信结构，其特征在于，所述由器中的输入接口单元包括东输入接口、西输入接口、南输入接口、北输入接口四个方向输入接口和一个本地输入接口；所述路由器中的输入接口单元的东输入接口、西输入接口、南输入接口、北输入接口，分别与其同方向的路由控制器、同方向的路由控制器相对应的多路选择器和本地路由控制器相连；本地输入接口的输入端与本地IP接口相连，输出端分别与东输入接口、西输入接口、南输入接口、北输入接口四个方向路由控制器和路由控制器相对应的多路选择器的输入端相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的通信结构，其特征在于，所述的路由控制单元中的东—西方向、西—东方向、南—北方向、北—南方四个方向路由控制器，分别与第一个二选一多路选择器、第二个二选一多路选择器、第三个二选一多路选择器、第四个二选一多路选择器对应；本地路由控制器与一个四选一多路选择器对应。

6.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的通信结构，其特征在于，所述流量控制器中的接口单元分为左组接口和右组接口两组；接口单元在n×n片上网络中共有2×n个接口，左组接口有n个左接口，右组接口有n个右接口，其中，n≥2。

7.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的通信结构，其特征在于，所述流量控制器中的控制单元包括一个数据分组控制器和n个n输入多路选择器；每个流量控制器中包括两个控制单元，两个控制单元的输入输出方向相反；其中，n≥2。

8.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的通信结构，其特征在于，所述流量控制器中的接口单元采用双向通信方式；接口单元外端与路由器的输入接口单元相连；接口单元内端分为接收数据分组路与发送数据分组路两路；接收数据分组路与第一个控制单元中的n个n输入多路选择器中的一个多路选择器的输出端相连；发送数据分组路与第二个控制单元中的数据分组控制器和n个n输入多路选择器的输入端相连；其中，n≥2。

9.根据权利要求1所述的一种基于片上网络的通信结构，其特征在于，所述流量控制器中的两个控制单元中的每个n输入多路选择器输出端都与其中一组接口单元的接收路相连；流量控制器中的每个控制单元根据接收到的数据分组进行路由计算，通过控制n输入多路选择器将数据分组通过n输入多路选择器输出至另一组输出接口。