CN105391576A - 一种片上网络运行过程重现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上网络运行过程重现方法及系统，方法包括以下步骤：S1：从片上网络仿真器或验证平台获取片上网络配置参数和运行日志数据；S2：根据步骤S1中获取的片上网络配置参数，绘制网络拓扑和路由器；S3：根据步骤S1获取的运行日志数据，在步骤S2中绘制的网络拓扑上，通过图像化界面重现片上网络行为；S4：利用步骤S3中重现的片上网络行为，观察路由器行为并对片上网络进行诊断分析，并且调试片上网络。本发明直观和形象地重现片上网络的运行过程，可以帮助研发人员迅速并准确地寻找到设计的缺陷和错误并做出调整，以便于缩短设计周期，提高设计准确度。

Description

一种片上网络运行过程重现方法及系统

技术领域

本发明涉及一种面向片上网络的监控分析方法及系统，尤其涉及一种片上网络运行过程重现方法及系统。

背景技术

随着集成工艺的进步，片上系统(System-on-Chip，SoC)中集成的功能单元的种类和数量迅速增加。传统的共享通信结构和直接通信结构都不能很好地应对片上多核间日益增长的通信压力。片上网络(Network-on-Chip，NoC)是一种新型的片上多核间通信结构，相较与传统的通信结构，片上网络能够体统更高的带宽和灵活性，同时在性能和代价之间得到更好的平衡。

片上网络传递的基本数据单位是微片(flit)，多个微片可以构成一个数据包。每个微片分为头部和负载，头部包含的进行路由计算需要的信息。片上网络路由器是片上网络的基本组成结构，其内部结构可以分为控制通道和数据通道构成。数据通道包括微片输入端口、输入缓存、交换单元、输出寄存器(或缓存)、微片输出端口。控制通道包括缓存控制电路、路由计算电路、交换仲裁电路、交换控制电路、时钟电路以及实时故障检测电路等可选电路组成。从微片进入路由器开始，需要经过输入缓冲排队、路由计算(RC)、虚通道仲裁(VA)、交换仲裁(SA)、交换传递(ST)等过程，最后或者送给网络接口(NI)，或者传递给下一级路由器。

与一般的ASIC/SoC芯片不同，片上网络由于运行过程中状态变化极其复杂，因而需要监控许多路由器内部的细节操作行为和特定数据包的路径等微观信息，以便能够全面检查并准确定位设计中的故障或错误。因此设计一套实用化的重现并分析片上网络运行状态和过程的系统具有重要意义。

在现有的片上网络开发工具和监控方法中，信息呈现形式的单一。枯燥的数字事实上成为设计者查找错误的最大障碍。开发者需要人工完成对数据的翻译，才能开始分析网络的正确性。通过提取到运行过程中大量微观数据和状态，同时进行必要图形化的重现和回放以直接呈现其物理含义，对开发人员完成片上网络的FPGA原型验证具有极大的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对片上网络设计开发过程中仿真和验证环节，提出了一种对片上网络运行过程进行记录、并利用图形化界面直观和形象地重现片上网络运行过程、及对设计错误和缺陷进行诊断的方法及系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种片上网络运行过程重现方法，它包括以下步骤：

S1：从片上网络仿真器或验证平台获取片上网络配置参数和运行日志数据；

S2：根据步骤S1中获取的片上网络配置参数，绘制网络拓扑和路由器；

S3：根据步骤S1获取的运行日志数据，在步骤S2中绘制的网络拓扑上，通过图像化界面重现片上网络行为；

S4：利用步骤S3中重现的片上网络行为，观察路由器行为并对片上网络进行诊断分析，并且调试片上网络。

所述的片上网络配置参数包括网络通用配置参数和路由器配置参数；所述的网络通用配置参数包括网络拓扑、网络大小、物理端口数量以及每个物理端口的虚通道数量、输入缓存大小、输出缓存大小；所述的路由器配置参数包括路由器编号、路由器位置、物理端口数量以及每个物理端口的虚通道数量、输入缓存大小、输出缓存大小、端口连接的邻居路由器和端口。

运行日志数据记录了片上网络的各种行为，按照事件的触发时间先后顺序排列，包括特定字段构成的事件记录；所述的事件记录包括：

(1)微片接收事件，一个路由器接从一个端口收到一个微片；

(2)微片交换事件，一个微片从路由器的一个输入端口通过交换电路到达一个输出端口；

(3)微片发送事件，一个路由器向一个端口发出一个微片；

(4)端口请求事件，输入端口进行路由计算，并向输出端口发送请求；

(5)端口绑定事件，经过虚通道仲裁、交换仲裁后，将某个输出端口与输入端口绑定；

(6)端口解绑定事件，数据包通过交换矩阵后，将输入端口与输出端口解绑定；

(7)端口状态变化事件。

所述的字段包括事件的字段和微片的字段；所述的事件的字段包括事件触发时间、事件类型、源路由器编号、源物理端口号、源虚通道号、目的路由器编号、目的物理端口号、目的虚通道号、数据包大小；所述的微片的字段包括微片编号、数据包大小、微片类型、微片源地址、微片目的地址、微片生成时间。

步骤S2中所述的绘制路由器过程为:

首次绘制一个正八边形作为路由器，该正八边形的任一边均可绘制长方形的端口缓存，端口缓存的宽与路由器的一个边重合，这样做是为了绘制复杂的或非规则的网络拓扑；用不同颜色标识端口缓存是否为满。

其次，在端口缓存内绘制长方型微片，端口缓存的长等于：微片宽度与端口缓存内单元数的乘积；这样，微片可以依次排列在端口缓存中，且放置的微片数量就是端口缓存内单元数量；

最后，路由器的输入端口与输出端口的请求和绑定关系用从路由器的输入端口缓存到路由器的输出端口缓存的箭头绘出，并且通过不同的线条分别表示端口请求和端口绑定关系。具体地，用虚线表示端口请求，用粗实线表示端口绑定。

根据网络拓扑参数绘制路由器，并通过端口到端口的箭头链接不同的路由器，表示网络拓扑。输入和输出端口的连接分别用箭头标识。

片上网络为数字电路，由时钟信号驱动。重现过程展示每个时钟周期的网络和路由器状态。重现网络运行即连续地，按照用户指定的时间间隔，将各个时刻的片上网络状态绘制出来。

步骤S3所述的重现片上网络行为包括连续地按照用户指定的时间间隔，将各个时刻的片上网络状态绘制出来：需要第t个时钟周期的网络状态，则重现时间不晚于第t个时钟周期的所有事件；如果要重现下一周期即t+1个时钟周期的网络状态，则重现晚于第t个时钟周期而不晚于第t+1个时钟周期的事件；如果要重现上一周期即t-1个时钟周期的网络状态，则需要撤销晚于第t-1个时钟周期而不晚于第t个时钟周期的事件。

片上网络运行过程中，需要监控的器件包括：输入缓存和输出缓存内单元的微片头部、路由计算结果和交换绑定矩阵。片上网络的行为通过网络事件进行记录。

步骤S3所述的重现片上网络行为包括：

(1)对于微片接收事件：重现操作：在输入缓存尾部增加一个微片；撤销操作：将输入缓存中的最后一个微片擦除；

(2)对于微片交换事件，重现操作：将输入缓存中的第一个微片擦除，并且在输出缓存的尾部增加一个微片；撤销操作：将输出缓存中的最后一个微片擦除并且在输入缓存的头部增加一个微片；

(3)对于微片发送事件：重现操作：将输出缓存的第一个微片擦除；撤销操作：在输出缓存的头部插入此微片；

(4)对于端口请求事件：重现操作：用虚线箭头连接输入端口和输出端口，表示路由请求；撤销操作：删除连接输入端口和输出端口的虚线箭头；

(5)对于端口绑定事件：重现操作：用粗实线箭头连接输入端口和输出端口，表示端口绑定；撤销操作：删除连接输入端口和输出端口的粗实线箭头；

(6)对于端口解绑定事件：重现操作：擦除连接输入端口和输出端口用的粗实线，表示端口没有绑定；撤销操作：用粗实线箭头连接输入端口和输出端口；

(7)对于端口状态变化事件：重现和撤销操作：改变端口缓存上标注的状态名称。

所述的图像化面板包括重现窗口、重现控制面板和路由器监视面板；重现窗口绘制有片上网络的路由器或拓扑连接，以及网络状态；步骤S3通过重现控制面板控制重现下一时钟周期或上一时钟周期的网络状态，同时还包括设定时间自动向后或向前播放；步骤S3还通过路由器监视面板，展示某个路由器所有缓存内微片的头部信息，跟踪微片的流动。

所述的步骤S4包括定位子步骤、监视子步骤和诊断子步骤；

S41：定位子步骤：利用向前、向后连续播放的功能快速检索故障；通过定位，找到出现故障的时间、路由器和数据包；

S42：监视子步骤：利用按时间周期重现，对故障的路由器和数据包进行监视；

S43：诊断子步骤：根据片上网络的设计和原理，诊断路由器的运行和数据包的传输。

一种片上网络运行过程重现系统，它包括：

数据获取模块：用于从片上网络仿真器或验证平台获取片上网络配置参数和运行日志数据；

片上网络绘制模块：用于根据数据获取模块获取的片上网络配置参数，绘制网络拓扑和路由器；

片上网络重现模块：用于根据数据获取模块获取的运行日志数据和片上网络绘制模块绘制的绘制网络拓扑，通过图像化界面重现片上网络行为；

片上网络行为诊断分析模块：用于根据片上网络重现模块重现的片上网络行为，分析以及调试片上网络设计。

本发明的有益效果是：通过本发明提供的片上网络运行重现系统和方法，更直观和形象地重现片上网络的运行过程，可以帮助研发人员迅速并准确地寻找到设计的缺陷和错误并做出调整，以便于缩短设计周期，提高设计准确度。

通过提取到运行过程中大量微观数据和状态，同时进行必要图形化的重现和回放以直接呈现其物理含义，对开发人员完成片上网络的FPGA原型验证具有极大的意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为路由器绘制示意图；

图3为图像化界面示意图；

图4为网络拥堵分析示意图；

图5为死锁分析示意图；

图6为本发明系统框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：如图1所示，一种片上网络运行过程重现方法，它包括以下步骤：

S1：从片上网络仿真器或验证平台获取片上网络配置参数和运行日志数据。

网络配置参数保存在XML文件中。通过修改仿真器，将网络运行事件按照二进制格式输入到运行日志文件中。其中事件触发时间、微片生成时间为双精度类型，微片编号为长整形，其他字段为无符号短整形。

S2：根据步骤S1中获取的片上网络配置参数，绘制网络拓扑和路由器。

如图2所示，路由器绘制成八边形，分别对应于北、南、西、东、西北、东北、西南、东南八个方向。片上网络路由器的端口可以绘制在这8个方向上，进行链接。路由器端口绘制成长方形，输入端口、输出端口和虚通道分开绘制。如果是同一方向上有多个物理通道，则物理通道之间增加空白以示区别；如果物理通道包含多个虚通道，虚通道之间不加分割。微片绘制为与端口等宽的长方形，其长度刚好对应于一个端口缓存的一个单元。微片用不同颜色代表其在数据包中的位置，绿色为头部，蓝色为尾部，其他为白色。当缓存未满时，端口用黑色绘制；当缓存已满时，端口用红色绘制，起提示作用。RC电路发出的请求用虚线箭头表示，连接输入端口和输出端口；输入端口和输出端口的绑定用加粗的实线箭头表示，也是连接对应的输入端口和输出端口。路由器中心写路由器编号；端口缓冲中部写端口状态。

步骤S2中绘制路由器的包括以下计算子步骤：

计算步骤使用的参数有：ph表示端口数量，vc(ph)表示端口ph的虚通道数量，in(ph,vc)表示端口ph虚通道vc的输入缓存大小，out(ph,vc)表示端口ph虚通道vc的输出缓存大小；w表示长方形宽度，l表示长方形长度；B表示端口缓存，F表示微片；w_B表示端口缓存的宽度，l_B表示端口缓存的长度；w_F表示微片的宽度，l_F表示微片的长度；dir表示可以放置端口缓存的方向，ph(dir)表示dir方向上的物理端口数量，nb(dir)表示dir方向上放置的端口缓存数量；r表示路由器的半径。

S20：提取步骤S1获取的片上网络配置参数，包括给定端口缓存的宽度w_B和长度l_B，以及路由器配置参数，所述的路由器配置参数包括端口数量ph，虚通道数量vc(ph)，输入缓存大小in(ph,vc)和输出缓存大小out(ph,vc)；

S21：在端口缓存的坐标系中，绘制出端口缓存和微片，具体地：端口缓存的四个锚点分别为：(0,w_B/2)，(0,-w_B/2)，(l_B,w_B/2)，(l_B,-w_B/2)，微片的宽度为w_F＝w_B，长度为l_F＝l_B/in(ph,vc)或者l_F＝l_B/out(ph,vc)；位于端口缓存中第i个单元的微片的四个锚点为(il_F,w_B/2)，(il_F,-w_B/2)，((i+1)l_F,w_B/2)，((i+1)l_F,-w_B/2)，其中i＝0,1,…；

S22：在路由器的坐标系中，绘制出路由器，具体地：每个方向上的物理端口的数量为ph(dir)，输入缓存和输出缓存的总数量为nb(dir)，在dir方向上边的端口总宽度为：pw(dir)＝(ph(dir)+nb(dir))×w_B，取最大的端口总宽度来计算路由器的半径r：由路由器的半径r得到路由器的8个锚点坐标，分别为：(tan22.5·r,-r)，(r,-tan22.5·r)，(r,tan22.5·r)，(tan22.5·r,r)，(-tan22.5·r,r)，(-r,tan22.5·r)，(-r,-tan22.5·r)，(-tan22.5·r,-r)；每条边的中心点是(0,-r)，(0,r)，(-r,0)，(r,0)，(-cos45·r,-sin45·r)，(cos45·r,-sin45·r)，(-cos45·r,sin45·r)，(cos45·r,sin45·r)；

S23：将端口缓存和微片合并到路由器的坐标系中，具体地：端口缓存按照边的中心点对称排列，端口缓存的宽与路由器的边重合，缓存的长与路由器的边相垂直；同一个方向的物理端口中间相隔w_B，同一个物理端口的端口缓存的长边重合。

S3：根据步骤S1获取的运行日志数据，在步骤S2中绘制的网络拓扑，通过图像化界面重现片上网络行为。

如图3所示，图像化界面由重现窗口、重现控制面板和路由器监视面板构成。

重现窗口绘制有片上网络的路由器和拓扑连接，以及网络状态。重现窗口下方列出了当前时钟周期内纪录的事件列表。

重现控制面板由重现控制按钮组、定时器设定和进度条组成。重现控制按钮组包含快进、快退、前进、后退和暂停5个按钮，分别对应于连续重现下一周期网络状态、连续重现上一周期网络状态、重现下一周期网络、重现上一周期网络状态和暂停连续重现功能。定时器设定连续重现的速度。进度条展示当前时钟周期在整个事件队列中的位置。

路由器监视面板提供输入端口列表和输出端口列表，分别展现某个特定路由器的输入端口和输出端口中的最先插入的微片的头部信息(ID号，源地址和目的地址)，也就是马上要被服务的微片的头部信息。特定路由器在重现界面中选定。

S4：通过步骤S3中重现的片上网络行为，观察路由器行为，对片上网络进行诊断分析，并且调试片上网络设计。

片上网络诊断分析可以分为定位和监视两个步骤。首先，利用向前、向后连续播放的功能快速检索故障，比如缓存满、微片无变化等。通过定位，可以找到出现故障的时间、路由器和数据包。然后利用按时间周期重现的功能，对故障的路由器和数据包进行监视。根据片上网络的设计和原理，诊断路由器的运行和数据包的传输。例如分析拥塞情况和死锁情况。

(1)拥塞情况分析

在片上网络重现过程中，路由器缓存的情况是实时呈现的。进一步，缓存未满，用黑色绘制；缓存已满，则变为红色。在连续运行过程中，根据缓存中微片的情况和根据缓存的颜色，可以形象地展示出，片上网络各个路由器的拥塞情况。

具体地，图4是由9个路由器构成片上网络。根据其中缓存的请求(虚线箭头表示)，可以明显看出，网络中的通信负载具有很强的方向性，从其他路由器向路由器(7)发送。通过观察缓存中微片的数量，可以看到路由器7具有最高的通信负载，向北、东、西的缓存都处于拥塞或接近拥塞的状态。通过分析可知，需要提高网络整体性能，或者单独提高路由器(7)的性能，或者优化通信负载。

(2)死锁情况分析

在连续播放重现某仿真时，经过一段时间后，发现所有的微片全部停止移动，且所有的缓存都已满，变成了红色。这表明网络运行出现了故障。从中任意找出一个缓存为起点，按照缓存请求的方向(虚线表示)或绑定的方向(实线表示)以及路由器间连接进行搜索。如果搜索过程中出现了环(回到了已经搜索过的缓存)，则表示出现了死锁。

具体地，图5中是由9个路由器构成片上网络。而且发现路由器中所有的微片已经停止了，而且大部分缓存已满。从路由器0的缓存开始，沿着请求方向(虚线箭头)或绑定方向(实线箭头)搜索，依次通过了路由器3、路由器4、路由器5、路由器2、路由器1到路由器4。由于路由器4已经搜索过，因此，在路由器4、路由器5、路由器2和路由器1构成了死锁环。

如图6所示，一种片上网络运行过程重现系统，它包括：

数据获取模块：用于从片上网络仿真器或验证平台获取片上网络配置参数和运行日志数据；

片上网络绘制模块：用于根据数据获取模块获取的片上网络配置参数，绘制网络拓扑和路由器；

片上网络重现模块：用于根据数据获取模块获取的运行日志数据和片上网络绘制模块绘制的绘制网络拓扑，通过图像化界面重现片上网络行为；

片上网络行为诊断分析模块：用于根据片上网络重现模块重现的片上网络行为，分析以及调试片上网络设计。

Claims (10)

1.一种片上网络运行过程重现方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1：从片上网络仿真器或验证平台获取片上网络配置参数和运行日志数据；

S2：根据步骤S1中获取的片上网络配置参数，绘制网络拓扑和路由器；

S3：根据步骤S1获取的运行日志数据，在步骤S2中绘制的网络拓扑上，通过图像化界面重现片上网络行为；

S4：利用步骤S3中重现的片上网络行为，观察路由器行为并对片上网络进行诊断分析，并且调试片上网络。

2.根据权利要求1所述的一种片上网络运行过程重现方法，其特征在于：所述的片上网络配置参数包括网络通用配置参数和路由器配置参数；所述的网络通用配置参数包括网络拓扑、网络大小、物理端口数量以及每个物理端口的虚通道数量、输入缓存大小、输出缓存大小；所述的路由器配置参数包括路由器编号、路由器位置、物理端口数量以及每个物理端口的虚通道数量、输入缓存大小、输出缓存大小、端口连接的邻居路由器和端口。

3.根据权利要求1所述的一种片上网络运行过程重现方法，其特征在于：所述的运行日志数据按照事件的触发时间先后顺序排列，包括特定字段构成的事件记录；所述的事件记录包括：

（1）微片接收事件，一个路由器接从一个端口收到一个微片；

（2）微片交换事件，一个微片从路由器的一个输入端口通过交换电路到达一个输出端口；

（3）微片发送事件，一个路由器向一个端口发出一个微片；

（4）端口请求事件，输入端口进行路由计算，并向输出端口发送请求；

（5）端口绑定事件，经过虚通道仲裁、交换仲裁后，将某个输出端口与输入端口绑定；

（6）端口解绑定事件，数据包通过交换矩阵后，将输入端口与输出端口解绑定；

（7）端口状态变化事件；

每一个事件记录包括特定字段，所述的特定字段包括事件的字段和微片的字段；

其中，所述的事件的字段包括：事件触发时间、事件类型、源路由器编号、源物理端口号、源虚通道号、目的路由器编号、目的物理端口号、目的虚通道号、数据包大小；

所述的微片的字段包括微片编号、数据包大小、微片类型、微片源地址、微片目的地址、微片生成时间。

4.根据权利要求1所述的一种片上网络运行过程重现方法，其特征在于：步骤S2中所述的绘制路由器过程为：

首先绘制一个正八边形作为路由器，该正八边形的任一边均可绘制长方形的端口缓存，端口缓存的宽与路由器的一个边重合；用不同颜色标识端口缓存是否为满，并绘制端口缓存的端口状态名称；

其次，在端口缓存内绘制长方形微片，微片的长与端口缓存的宽相同；端口缓存的长等于微片宽度与端口缓存内单元数的乘积；用不同的颜色标示出微片的类型；

最后，路由器的输入端口与输出端口的请求和绑定关系用从路由器输入端口缓存到路由器输出端口缓存的箭头绘出，并且通过不同的线条分别表示端口请求和端口绑定关系。

5.根据权利要求1所述的一种片上网络运行过程重现方法，其特征在于：步骤S3所述的重现片上网络行为包括两个步骤：S31重现事件记录；S32重现运行日志。

6.根据权利要求5所述的一种片上网络运行过程重现方法，其特征在于：所述的重现事件记录行为包括：

（1）对于微片接收事件：重现操作：在输入缓存尾部增加一个微片；撤销操作：将输入缓存中的最后一个微片擦除；

（2）对于微片交换事件，重现操作：将输入缓存中的第一个微片擦除，并且在输出缓存的尾部增加一个微片；撤销操作：将输出缓存中的最后一个微片擦除并且在输入缓存的头部增加一个微片；

（3）对于微片发送事件：重现操作：将输出缓存的第一个微片擦除；撤销操作：在输出缓存的头部插入此微片；

（4）对于端口请求事件：重现操作：用虚线箭头连接输入端口和输出端口，表示路由请求；撤销操作：删除连接输入端口和输出端口的虚线箭头；

（5）对于端口绑定事件：重现操作：用粗实线箭头连接输入端口和输出端口，表示端口绑定；撤销操作：删除连接输入端口和输出端口的粗实线箭头；

（6）对于端口解绑定事件：重现操作：擦除连接输入端口和输出端口用的粗实线，表示端口没有绑定；撤销操作：用粗实线箭头连接输入端口和输出端口；

（7）对于端口状态变化事件：重现和撤销操作：改变端口缓存上标注的状态名称。

7.根据权利要求5所述的一种片上网络运行过程重现方法，其特征在于：所述的重现运行日志包括：连续地按照用户指定的时间间隔，将各个时刻的片上网络状态绘制出来：需要第t个时钟周期的网络状态，则重现时间不晚于第t个时钟周期的所有事件；如果要重现下一周期即t+1个时钟周期的网络状态，则重现晚于第t个时钟周期而不晚于第t+1个时钟周期的事件；如果要重现上一周期即t-1个时钟周期的网络状态，则需要撤销晚于第t-1个时钟周期而不晚于第t个时钟周期的事件。

8.根据权利要求1所述的一种片上网络运行过程重现方法，其特征在于：所述的图像化界面包括重现窗口、重现控制面板和路由器监视面板；重现窗口绘制有片上网络的路由器或拓扑连接，以及网络状态；步骤S3通过重现控制面板控制重现下一时钟周期或上一时钟周期的网络状态，同时还包括设定时间自动向后或向前播放；步骤S3还通过路由器监视面板，展示某个路由器所有缓存内微片的头部信息，跟踪微片的流动。

9.根据权利要求1所述的一种片上网络运行过程重现方法，其特征在于：步骤S4中所述的观察路由器行为并对片上网络进行诊断分析，包括定位子步骤、监视子步骤和诊断子步骤；

S41：定位子步骤：利用向前、向后连续播放的功能快速检索故障；通过定位，找到出现故障的时间、路由器和数据包；

S42：监视子步骤：利用重现的网络行为，对故障的路由器和数据包进行监视；

S43：诊断子步骤：根据片上网络的设计和原理，诊断路由器的运行和数据包的传输。

10.一种片上网络运行过程重现系统，其特征在于：它包括：

数据获取模块：用于从片上网络仿真器或验证平台获取片上网络配置参数和运行日志数据；

片上网络绘制模块：用于根据数据获取模块获取的片上网络配置参数，绘制网络拓扑和路由器；

片上网络重现模块：用于根据数据获取模块获取的运行日志数据和片上网络绘制模块绘制的绘制网络拓扑，通过图像化界面重现片上网络行为；

片上网络行为诊断分析模块：用于根据片上网络重现模块重现的片上网络行为，分析以及调试片上网络设计。