CN104811395B - 一种双层片上网络装置及其核间通信自动调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层片上网络装置及其核间通信自动调度方法，装置包括：包/电路交换双层网络，和一个中央监控调度单元，双层网络具有相同的拓扑结构，在每个拓扑节点中均有互联通路，中央监控调度单元负责规划网络链路，并监控所有节点的状态。基于该系统的调度方法：中央监控调度单元接收核间通信请求，首先规划包交换链路，并检查其通信数据量，当数据量大于阈值时，调度单元规划电路交换链路，如果无法规划出完整的电路交换链路，就在断点之间规划包交换链路，这样组成混合链路；如果与断点相邻节点处有其他电路交换链路被释放，那么在两断点之间继续规划电路交换链路。本发明为减轻网路拥堵和延迟，提高通信效率，提供了一种方法。

Description

一种双层片上网络装置及其核间通信自动调度方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体地，涉及一种双层片上网络装置及其核间通信自动调度方法。

背景技术

随着半导体设计制造技术的迅速发展，单一芯片集成的功能越来越复杂。片上系统芯片(System on Chip,SoC)，是集成电路发展的必然趋势，其系统规模越来越大，并朝着多核化和异构化的方向发展，这对传统的基于总线的设计方法提出了挑战。片上网络(Network on Chip,NoC)作为一种新的设计方法，不仅具有良好的可扩展性，还提供了很好的并行通信能力，并且提供更好的时钟机制，可以解决基于总线的结构所导致的能耗、带宽等瓶颈，满足大规模集成电路发展对可扩展性、能耗、面积、可重用性、服务质量等方面的需求，是替代总线通信方式的理想方案。

片上网络主要有包交换网络和电路交换网络，他们各有优缺点：

包交换网络因具有大吞吐量和极好的可拓展性，而被广泛采用，但这些优点是以功耗和路由之间的延迟为代价的，尤其是在核间通信请求过于集中时，包交换网络功耗显著升高，并且网络堵塞导致延迟增大和延迟抖动。

电路交换网络因为预先建立好通信的独占链路，所以显著降低了功耗和通信延迟，提高了通信速率，但这也是以非常大的链路建立时间，和低的资源使用效率为代价的。对于大数据量的通信请求，链路建立时间可以由节省的通信时间抵消，但是这对小数据量的通信请求来说代价过大。

同时，电路交换网络的调度方法可以分为分布式和和集中式两种方法：

分布式调度方法依赖建链网络实现，源节点向目标节点发送探针信息，然后目标节点返回确认信息，从而建立链路，并且有针对探针信息被其他链路阻塞的情况下的应对机制。分布式调度方法可能遇到阻塞，阻塞后只能等待其他链路被释放，或者过于复杂以至于抵消掉电路交换网络的低功耗优点，或者过于简单以至于带来更低的资源利用率。

集中式调度方法通过中央节点监控调度电路交换链路，相对于分布式方法，在时间、功耗、效率上有更好的性能，但集中式方法会受限于线路带宽和处理速率的瓶颈。

所以，如何利用包交换网络和电路交换网络的优缺点，采用合理的调度方法，是片上网络系统设计的重要方向。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双层片上网络装置及其核间通信自动调度方法。

根据本发明提供的一种双层片上网络装置，包括：包交换网络、电路交换网络以及中央监控调度单元；

所述包交换网络和电路交换网络具有相同的拓扑结构，且所述包交换网络和电路交换网络中的节点通过互联通路一一对应相连，所述中央监控调度单元通过轻量级控制网络分别与所述包交换网络和电路交换网络的节点相连。

作为一种优化方案，每个所述包交换网络的节点对应为一个路由器；每个所述电路交换网络的节点对应为一个交叉开关。

作为一种优化方案，所述中央监控调度单元用于：响应自源节点接收的所述通信请求，根据所述通信请求中的目标节点信息以及当前包交换网络的节点状态为该源节点在包交换网络中规划第一通信链路，

将所述传输数据量与一预设阈值进行比较，若所述传输数据量大于所述预设阈值，则根据所述目标节点信息和电路交换网络中各节点的节点状态为源节点在电路交换网络中规划第二通信链路，

若所述第二通信链路中电路交换网络的节点被其他通信链路占用而出现断点时，断点之间被占用部分采用包交换网络的节点替换，待所述第二通信链路上与断点相邻的被占用电路交换网络节点被释放，建立该断点与该被释放的电路交换网络节点之间的电路交换网络链路，更新所述第二通信链路。

作为一种优化方案，所述中央监控调度单元还用于：

监控所述包交换网络和电路交换网络中所有节点以及节点之间链路的状态，

监控所述源节点剩余数据包的数量，

监控电路交换网络中各节点是否被占用，从而判断是否为中断点，以及判断所述断点对之间的电路交换网络节点是否被所述其他通信链路释放，

监控包交换网络中节点的缓存，从而获得包交换网络节点的繁忙状况。

基于同一构思，本发明提出一种基于上述的双层片上网络装置的核间通信自动调度方法，包括：

步骤1，通信源节点向中央监控调度单元发送通信请求，所述通信请求包含目标节点信息和传输数据量；

步骤2，所述中央监控调度单元响应所述通信请求，根据所述目标节点信息以及当前包交换网络的节点状态为源节点在包交换网络中规划第一通信链路；

步骤3，所述源节点采用该第一通信链路向目标节点开始传输数据包；

步骤4，所述中央监控调度单元将所述传输数据量与一预设阈值进行比较，若所述传输数据量大于所述预设阈值，则根据所述目标节点信息和电路交换网络中各节点的节点状态为源节点在电路交换网络中规划第二通信链路，并进入步骤5；

步骤5，所述源节点根据所述第二通信链路在电路交换网络中完成链路建立后，改由所述第二通信链路传输剩余的数据包；

其中，若所述第二通信链路中电路交换网络的节点被其他通信链路占用而出现断点时，断点之间被占用部分采用包交换网络的节点替换，待所述第二通信链路上与断点相邻的被占用电路交换网络节点被释放，建立该断点与该被释放的电路交换网络节点之间的电路交换网络链路，更新所述第二通信链路。

作为一种优化方案，步骤5中源节点根据所述第二通信链路在电路交换网络中完成链路建立的过程包括：

所述源节点沿着规划的链路发送建链信息，当信息到达目标节点，目标节点将信息反馈给源节点，所述第二通信链路建立完成。

作为一种优化方案，所述中央监控调度单元通过轻量级的控制网络定时询问所述包交换网络和电路交换网络的各节点，获得所述节点状态。

作为一种优化方案，所述节点状态包括：所述包交换网络中节点的缓存状态，或所述电路交换网络中各节点的链路状态和中断点的信息。

作为一种优化方案，步骤5之后还包括：通信完成后，由源节点向中央单元发送通信结束信息，中央监控调度单元从所述源节点沿着所述第二通信链路依次释放电路交换网络的节点。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.由于采用双层片上网络，有效提高了片上网络系统的通信容量，提高了网络吞吐率，减少了网络的拥塞。

2.通过阈值比较的方式，区分出少量数据通信和大量数据通信，分别通过包交换网络或者电路交换网络传输，提高了电路交换网络的资源使用效率，更好的利用双层网络的优点。

3.大量的数据通信对片上网络系统的平均延迟和功耗影响更大，针对大量数据通信，本发明可以从包交换网络中切换到电路交换网络中，有效降低了包交换网络的拥塞和功耗，降低了通信延迟。

4.由于在电路交换网络中建立通信链路前，首先通过包交换网络通信，可以有效弥补电路交换网络中过长的链路建立时间。

5.由于在建立电路交换链路中断后，可以采用包交换网络的节点替换该断点从而组成混合链路，可以提高电路交换网络的资源使用效率，不必等待完整链路建立，降低了通信延迟。

6.采用集中式的调度方法，并且通过轻量级和高速的硬件实现，有效降低了链路建立和通信的延迟，减少了网络功耗。

7.由于对硬件资源和网络资源采取了监控，可以根据资源使用情况动态判定通信方式和资源使用量，能够有效提高核间通信网路和硬件资源的使用效率。

8.由于采用核间通信自动调度的方法，简化了多核编程中核间通信的接口程序，简化了使用方法，有利于程序的优化、扩展和移植。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是可选实施例中的一种双层片上网络装置；

图2是可选实施例中的另一种双层片上网络拓扑结构图；

图3是可选实施例中的一种基于双层片上网络的核间通信自动调度系方法流程图。

图中：101-由电路交换网络节点和包交换网络节点组成的拓扑节点，102-中央监控调度单元，103-轻量级的控制网络，201-包交换网络的节点，202-电路交换网络的节点，203-互联通路。

具体实施方式

下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

本发明公开了了一种双层片上网络装置及其核间通信自动调度方法。

如图2所示的实施例，一种双层片上网络装置，包括：包交换网络、电路交换网络以及中央监控调度单元；

所述包交换网络和电路交换网络具有相同的拓扑结构，且所述包交换网络和电路交换网络中的节点通过互联通路一一对应相连，所述中央监控调度单元通过轻量级控制网络分别与所述包交换网络和电路交换网络的节点相连。

结合说明书附图1、2作为本发明公开的双层片上网络系统的拓扑图形，作为说明，但该实施例并不构成对本发明实施例的限定，该片上网络包括：9个拓扑节点101，每个拓扑节点中包括一个包交换网络的节点201和一个电路交换网络的节点202，它们之间有互连通路203。包交换节点和相邻节点互连，组成包交换网络；电路交换节点和相邻节点互连，组成电路交换网络。

作为一种实施例，每个所述包交换网络的节点对应为一个路由器；每个所述电路交换网络的节点对应为一个交叉开关。

作为一种实施例，所述中央监控调度单元用于：响应自源节点接收的所述通信请求，根据所述通信请求中的目标节点信息以及当前包交换网络的节点状态为该源节点在包交换网络中规划第一通信链路，

将所述传输数据量与一预设阈值进行比较，若所述传输数据量大于所述预设阈值，则根据所述目标节点信息和电路交换网络中各节点的节点状态为源节点在电路交换网络中规划第二通信链路，

若所述第二通信链路中电路交换网络的节点被其他通信链路占用而出现断点时，断点之间被占用部分采用包交换网络的节点替换，待所述第二通信链路上与断点相邻的被占用电路交换网络节点被释放，建立该断点与该被释放的电路交换网络节点之间的电路交换网络链路，更新所述第二通信链路。本专利中的断点定义为：电路/包交换混合链路中属于电路交换网络的未被占用的末端电路交换网络节点作为断点。相对应的断点对之间的链路为包交换网络节点组成的链路，不包含断点本身。

包交换网络和电路交换网络有相同的拓扑结构，组成有较好扩展性的双层片上网络，双层网络的节点之间有所述互联通路203，在无法建立完整电路交换链路时，通过电路交换链路的中断点处的互联通路203，和包交换链路连通进行数据包的转发，组成电路/包交换混合链路。

中央监控调度单元102，通过轻量级的控制网络103与各个路由节点相连.所述中央监控调度单元102采用轻量级和高速的硬件电路实现，保证其充足的带宽和快速的处理能力。中央监控调度单元102定时查询各个节点的状态，包括包交换网络路由节点的缓存状态，电路交换网络路由节点的链路状态和中断点的信息。中央监控调度单元102根据包交换网络路由的缓存可以判断该路由节点的繁忙状况，根据电路交换网络路由的链路状态可以判断出网络中的已有链路，根据中断点的信息可以推断出链路中的断点对。中央监控调度单元102获得的上述监控信息为其他通信请求的通信链路规划提供依据。

作为一种实施例，所述中央监控调度单元还用于：

监控所述包交换网络和电路交换网络中所有节点以及节点之间链路的状态，

监控所述源节点剩余数据包的数量，

监控电路交换网络中各节点是否被占用，从而判断是否为中断点，以及判断所述断点对之间的电路交换网络节点是否被所述其他通信链路释放，

监控包交换网络中节点的缓存，从而获得包交换网络节点的繁忙状况。

所述中央监控调度单元通过获得包交换网络和电路交换网络中所有节点的缓存数据包以及是否处于被占用状态，获得两层网络上的通信链路情况以及各节点的繁忙状况。

通信源节点通过控制网络103向中央监控调度单元102发送通信请求，中央监控调度单元102收到该通信请求后默认为该源节点建立第一通信链路，并将传输路径信息发送给源节点，由第一通信链路进行数据传输。若传输数据量过大则在电路交换网络中建立第二通信链路，再切换到第二通信链路继续传输剩下的数据。

通信完成后，若有使用电路交换网络传输数据，则由源节点通过控制网络向中央单元发送数据传输结束信息，中央单元从源节点依次释放第二通信路径上的电路交换链路，并检查链路两侧节点中是否有其他混合通信链路的断点，尝试为其他通信链路拓展电路交换链路。

基于同一构思，在本发明提供的如图3所示的实施例中，一种基于双层片上网络的核间通信自动调度方法，包括：

步骤1，通信源节点向中央监控调度单元发送通信请求，所述通信请求包含目标节点信息和传输数据量。

步骤2，所述中央监控调度单元响应所述通信请求，根据所述目标节点信息以及当前包交换网络的节点状态为源节点在包交换网络中规划第一通信链路。中央监控调度单元根据包交换网络的繁忙状况，为发送通信请求的源节点规划通信链路，然后将包交换链路规划信息发送给源节点。

步骤3，所述源节点采用该第一通信链路向目标节点开始传输数据包；

步骤4，所述中央监控调度单元将所述传输数据量与一预设阈值进行比较，若所述传输数据量大于所述预设阈值，则根据所述目标节点信息和电路交换网络中各节点的节点状态为源节点在电路交换网络中规划第二通信链路，并进入步骤5。

中央监控调度单元利用获得的传输数据量和预设阈值比较时，若数据量小于阈值，视为小批量数据传输，继续利用包交换网络传输；若数据量大于等于阈值，视为大批量数据传输，该通信对片上网络的整体延迟和能耗的影响较大，需要使用电路交换网络传输，加快数据传输速度。该阈值的确定同时考虑了传输数据量、包交换网络的传输速度、电路交换网络链路的建立耗时以及电路交换网络的传输速度。

步骤5，所述源节点根据所述第二通信链路在电路交换网络中完成链路建立后，改由所述第二通信链路传输剩余的数据包；其中，若所述第二通信链路中电路交换网络的节点被其他通信链路占用而出现断点时，断点之间被占用部分采用包交换网络的节点替换，待所述第二通信链路上与断点相邻的被占用电路交换网络节点被释放，建立该断点与该被释放的电路交换网络节点之间的电路交换网络链路，更新所述第二通信链路。

关于电路/包交换混合链路的定义：中央单元利用监控的电路交换网络繁忙状况，为源节点和目标节点之间规划链路，并尝试在电路交换网络中建立从源到目的的完整电路交换链路，如果无法规划完整链路，则利用包交换网络规划断点之间的路由链路，这样既包含电路交换网络节点又包含包交换网络节点的通信链路就是电路/包交换混合链路。换言之，电路/包交换混合链路就是包含断点的第二通信链路。

中央监控调度单元根据电路交换网络中的已有链路信息，在空闲节点中规划通信链路，如果能够规划出完整电路交换链路，就更新原先存储的电路交换链路信息的记录，并向源节点发送作为第二通信链路的电路交换链路的规划信息。

如果电路交换网络中的部分节点被其他通信链路占用，即出现所述断点，导致无法规划出完整电路交换链路，中央监控调度单元就规划出部分电路交换链路，在链路中断点之间，通过包交换网络建立通信链路，组成电路/包交换混合链路，然后更新原先存储的电路交换链路信息的记录，并向源节点发送作为所述第二通信链路的混合链路的规划信息。

源节点收到第二通信链路的规划信息后，停止向包交换路由中缓存通信数据包，并重新在新建立的作为第二通信链路的电路交换链路或者混合链路中传输剩余数据，实现从第一通信链路到第二通信链路的切换。这种切换是通过将待传输的数据包包头中的第一通信链路信息删除，并重写为第二通信链路信息来实现的。

作为一种实施例，步骤5中源节点根据所述第二通信链路在电路交换网络中完成链路建立的过程包括：

所述源节点沿着规划的链路发送建链信息，当信息到达目标节点，目标节点将信息反馈给源节点，所述第二通信链路建立完成。

作为一种实施例，所述中央监控调度单元通过轻量级的控制网络定时询问所述包交换网络和电路交换网络的各节点，获得所述节点状态。

作为一种实施例，所述节点状态包括：所述包交换网络中节点的缓存状态，或所述电路交换网络中各节点的链路状态和中断点的信息。

作为一种实施例，步骤5之后还包括：通信完成后，由源节点向中央单元发送通信结束信息，中央监控调度单元从所述源节点沿着所述第二通信链路依次释放电路交换网络的节点。

本实施例中还包括，在最后一个数据包进入电路交换网络后源节点向中央监控调度单元发送通信结束信息通知中央监控调度单元数据通信已结束，中央监控调度单元从所述源节点沿着所述第二通信链路依次释放电路交换网络的节点，同时查找释放的电路交换网络链路两侧节点中是否是其他通信链路的中断点，若是，则尝试建立其他通信链路的中断点之间的电路交换链路，实现其他通信链路的扩链。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双层片上网络装置，其特征在于，包括：包交换网络、电路交换网络以及中央监控调度单元；

所述包交换网络和电路交换网络具有相同的拓扑结构，且所述包交换网络和电路交换网络中的节点通过互联通路一一对应相连，所述中央监控调度单元通过轻量级控制网络分别与所述包交换网络和电路交换网络的节点相连；

所述中央监控调度单元用于：响应自源节点接收的通信请求，根据所述通信请求中的目标节点信息以及当前包交换网络的节点状态为该源节点在包交换网络中规划第一通信链路，

将传输数据量与一预设阈值进行比较，若所述传输数据量大于所述预设阈值，则根据所述目标节点信息和电路交换网络中各节点的节点状态为源节点在电路交换网络中规划第二通信链路，

若所述第二通信链路中电路交换网络的节点被其他通信链路占用而出现断点时，断点之间被占用部分采用包交换网络的节点替换，待所述第二通信链路上与断点相邻的被占用电路交换网络节点被释放，建立该断点与该被释放的电路交换网络节点之间的电路交换网络链路，更新所述第二通信链路。

2.根据权利要求1所述的一种双层片上网络装置，其特征在于，每个所述包交换网络的节点对应为一个路由器；每个所述电路交换网络的节点对应为一个交叉开关。

3.根据权利要求1所述的一种双层片上网络装置，其特征在于，所述中央监控调度单元还用于：

监控所述包交换网络和电路交换网络中所有节点以及节点之间链路的状态，

监控所述源节点剩余数据包的数量，

监控电路交换网络中各节点是否被占用，从而判断是否为中断点，以及判断断点对之间的电路交换网络节点是否被所述其他通信链路释放，

监控包交换网络中节点的缓存，从而获得包交换网络节点的繁忙状况。

4.一种基于如权利要求1所述的双层片上网络装置的核间通信自动调度方法，其特征在于，包括：

步骤1，通信源节点向中央监控调度单元发送通信请求，所述通信请求包含目标节点信息和传输数据量；

步骤2，所述中央监控调度单元响应所述通信请求，根据所述目标节点信息以及当前包交换网络的节点状态为源节点在包交换网络中规划第一通信链路；

步骤3，所述源节点采用该第一通信链路向目标节点开始传输数据包；

步骤4，所述中央监控调度单元将所述传输数据量与一预设阈值进行比较，若所述传输数据量大于所述预设阈值，则根据所述目标节点信息和电路交换网络中各节点的节点状态为源节点在电路交换网络中规划第二通信链路，并进入步骤5；

步骤5，所述源节点根据所述第二通信链路在电路交换网络中完成链路建立后，改由所述第二通信链路传输剩余的数据包；

其中，若所述第二通信链路中电路交换网络的节点被其他通信链路占用而出现断点时，断点之间被占用部分采用包交换网络的节点替换，待所述第二通信链路上与断点相邻的被占用电路交换网络节点被释放，建立该断点与该被释放的电路交换网络节点之间的电路交换网络链路，更新所述第二通信链路。

5.根据权利要求4所述的一种基于双层片上网络装置的核间通信自动调度方法，其特征在于，步骤5中源节点根据所述第二通信链路在电路交换网络中完成链路建立的过程包括：

所述源节点沿着规划的链路发送建链信息，当信息到达目标节点，目标节点将信息反馈给源节点，所述第二通信链路建立完成。

6.根据权利要求4所述的一种基于双层片上网络装置的核间通信自动调度方法，其特征在于，所述中央监控调度单元通过轻量级的控制网络定时询问所述包交换网络和电路交换网络的各节点，获得所述节点状态。

7.根据权利要求4或6所述的一种基于双层片上网络装置的核间通信自动调度方法，其特征在于，所述节点状态包括：所述包交换网络中节点的缓存状态，或所述电路交换网络中各节点的链路状态和中断点的信息。

8.根据权利要求4所述的一种基于双层片上网络装置的核间通信自动调度方法，其特征在于，步骤5之后还包括：通信完成后，由源节点向中央单元发送通信结束信息，中央监控调度单元从所述源节点沿着所述第二通信链路依次释放电路交换网络的节点。