CN106331909A - 基于环形控制光网络的三维光片上网络及其通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于环形控制光网络的三维光片上网络及其通信方法，用于解决现有技术中存在的波长使用方法单一等技术问题；三维光片上网络包括电层、光传输网络层和光控制网络层，电层包括N个簇，光传输网络层包括环形传输光波导连接的N个发送/接收单元，光控制网络层包括分别与环形通知光波导和环形仲裁光波导相连的N个控制单元，三个层面形成层叠结构，通过TSV和不同的TSV pad相连，形成三维光片上网络；三维光片上网络根据数据分组长度和网络负载高低动态调整传输数据分组时使用的波长数量，并以吸收、释放光脉冲信号的方式仲裁传输数据分组时使用的波长资源，实现IP核之间的簇内通信、簇间通信和多播广播通信。

Description

基于环形控制光网络的三维光片上网络及其通信方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种光片上网络系统及通信方法，具体涉及一种基于环形控制光网络的三维光片上网络及其通信方法，可用于片上多核通信。
背景技术
受到物理极限限制，单纯通过缩小晶体管尺寸和提高频率来提升单核处理器性能的方法不再可行，采用多核架构设计是未来片上系统(System-on-Chip，SoC)发展的必然趋势，目前业界已从将关注点从多核系统设计转向众核甚至千核系统设计。随着片上系统集成的IP(Intellectual Property)核数量越来越多，核间通信问题成为多核系统设计的关键。通信性能好、重用性好、扩展性好、并行能力强的片上网络(Network-on-Chip，NoC)成为未来多核片上系统通信架构首选方案。未来几年电路集成度将随着超大规模集成电路工艺特征尺寸的进一步缩小而继续提高，当芯片系统的工作频率急速提高至数GHz甚至更高后，金属导线的寄生效应、延迟时间、信号串扰和能耗等问题将严重限制片上网络系统性能的进一步提高，电互连方式将无法进行更加高效的信号传输。
相比于传统的电互连方式，片上光互连具有更高的带宽密度、更小的通信时延、更低的系统功耗和较小的网络串扰等优势。随着近年来硅基光器件技术的不断发展和成熟，光波导、微环谐振器、光电探测器、片上激光源等新型片上器件不断产生和创新，性能表现也不断提高。这些硅基光器件的突破性发展推动了光片上网络(Optical Network-on-Chip，ONoC)的产生和迅速发展。
随着硅通孔(Through Silicon Vias，TSV)等三维集成电路(3D IC)技术的发展成熟，设计三维光片上网络成为可能。相比于二维光片上网络，三维光片上网络可以在容纳更多IP核的同时，更加高效地布局层间互连，设计相应的通信策略，在增加芯片系统容量的同时获得更加良好的通信性能。
波长通信作为光互连通信的特点之一在进行光片上网络架构及其通信方法的设计中承担着重要作用。以往的光片上网络设计中，波长资源通常被用于两种用途，第一是利用丰富的波长资源增加光片上网络的带宽密度，以获得更快的分组调制速度和更高的网络吞吐性能；第二是利用不同波长的光信号可以同时在光波导内同时互不干扰传输的特性，解决通信过程中的网络阻塞和网络资源竞争的技术问题。利用波长通信进行设计的光片上网络仅仅考虑并实现以上两种用途的其中之一，没有综合考虑网络的通信需求、网络负载状况以及应用特点对波长资源进行动态配置，没有优化波长通信资源的利用方式。
例如，Dana Vantrease等人在2008年《International Symposium on ComputerArchitecture》36(3):153-164中发表了名称为“Corona:System Implications ofEmerging Nanophotonic Technology”的文章，提出了一种基于光令牌的三维光片上网络及其通信方法，通过吸收和释放光令牌表示对通信资源的占用和释放，Corona中采用64个波长对数据分组进行调制传输，具有良好的网络带宽密度和数据分组调制速度；但是在高网络负载下，Corona中通信资源竞争加剧，网络阻塞情况严重，导致整个网络系统的通信效率低下。授权公告号CN102638311B，名称为《基于波长分配的光片上网络系统及其通信方法》的发明专利，公开了一种基于波长分配的光片上网络系统及其通信方法，针对光片上网络采用波长通信时，使用波长数过多、光路由器结构复杂、网络扩展性差的问题，采用波长分配矩阵对通信波长进行分配，减少了波长使用数，提高了光片上网络的可扩展性，克服了光片上网络容易进入拥塞状态的问题。但是由于只采用一个波长对所有长度的数据分组进行调制传输，没有考虑不同长度数据分组的传输需求，导致在低网络负载下波长资源的利用率低，且网络带宽密度低，并且网络的扩展性受到波长数量的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术不足，提出了一种基于环形控制光网络的三维光片上网络及通信方法，通过实现波长资源的动态配置，以平衡波长资源使用中增加网络带宽密度和解决阻塞需求，用于解决现有基于波长通信的光片上网络及通信方法中存在的网络资源利用率和网络通信效率低的技术问题
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于环形控制光网络的三维光片上网络，其特征在于，包括电层、光传输网络层和光控制网络层，该三个层面形成层叠结构；所述电层，包括N个簇，N≥2，每个簇连接有第一TSV pad；所述光传输网络层，包括通过环形传输光波导连接的N个发送/接收单元，每个发送/接收单元连接有第二TSV pad；所述光控制网络层，包括分别与环形通知光波导和环形仲裁光波导相连的N个控制单元，每个控制单元连接有第三TSV pad；所述N个簇在电层中的位置、N个发送/接收单元在光传输网络层中的位置和N个控制单元在光控制网络层中的位置对应，且第一TSV pad、第二TSV pad和第三TSV pad通过TSV相互连接，形成三维光片上网络。
上述基于环形控制光网络的三维光片上网络，所述簇，包括IP核和电交换单元，所述IP核为多个，分别与电交换单元相连，用于实现簇内电信号的交换传输。
上述基于环形控制光网络的三维光片上网络，所述发送/接收单元，包括处理单元、由多个第一检测器组成的第一接收单元和由多个第一调制器组成的第一发送单元，所述处理单元与第一接收单元和第一发送单元相连，用于控制处理通知分组，发送和接收数据分组，产生和发送回应分组，所述多个第一检测器和多个第一调制器分别与环形传输光波导相连，用于发送、传输和接收光信号。
上述基于环形控制光网络的三维光片上网络，所述控制单元，包括仲裁/通知控制单元、由多个第二检测器和一个通知用检测器组成的第二接收单元和由多个第二调制器组成的第二发送单元，所述仲裁/通知控制单元与第二接收单元和第二发送单元相连，用于实现波长资源的动态配置、处理通知分组和回应分组，所述多个第二检测器和多个第二调制器分别与环形仲裁光波导相连，用于实现波长资源仲裁，所述通知用检测器和多个第二调制器分别与环形通知光波导相连，用于发送和接收通知信息和多播广播信息。
一种基于环形控制光网络的三维光片上网络的通信方法，包括如下步骤：
(1)网络初始化，实现步骤为：
1a)假设簇间通信数据分组的长度，设定簇间通信调制传输不同长度数据分组时需要的波长数量：
当数据分组的长度为(0,256]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为n；
当数据分组的长度为(256,512]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为2n；
当数据分组的长度为(512,768]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为3n；
当数据分组的长度为(768,1024]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为4n；
当数据分组的长度为(1024,1280]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为5n；
当数据分组的长度为(1280,1536]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为6n；
当数据分组的长度为(1536,1792]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为7n；
当数据分组的长度为(1792,+∞)bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为8n；
其中n≥1，且n为整数；
1b)光控制网络层中任一控制单元通过第二调制器，向环形仲裁光波导中注入K个不同的光脉冲信号，其中K≥8n，且K为整数，得到活跃的环形仲裁光波导：
1c)设定仲裁超时门限T；
1d)对簇及IP核分别进行编号，得到每一个IP核的位置(X，Y)，其中X表示簇编号，Y表示IP核编号；
(2)源IP核产生不同的通信需求，当通信需求为单一目的IP核时，执行步骤3)；当通信需求为多播广播时，执行步骤6)；
(3)源IP核产生数据分组，该数据分组包含从步骤1d)得到的每一个IP核位置(X，Y)中提取的源IP核位置(Xs，Ys)和目的IP核位置(Xd，Yd)，其中Xs表示源IP核所在簇编号，Ys表示源IP核编号，Xd表示目的IP核所在簇编号，Yd表示目的IP核编号；根据Xs和Xd的关系，判断数据分组的通信类型，若Xs＝Xd，则该数据分组的通信类型为簇内通信，并执行步骤4)，否则，该数据分组的通信类型为簇间通信，并执行步骤5)；
(4)电交换单元将源IP核产生的数据分组传输至目的IP核，完成簇内通信；
(5)簇间通信的实现步骤为：
5a)源IP核产生控制分组，该控制分组包含有数据分组长度信息、源IP核位置信息和目的IP核位置信息，电交换单元通过第一TSV pad、TSV和第三TSV pad，将控制分组传输至对应的仲裁/通知控制单元，并通过第一TSV pad、TSV和第二TSV pad，将源IP核产生的数据分组传输至对应的处理单元进行缓存；
5b)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，对数据分组传输时可使用的波长资源进行仲裁，实现步骤为：
5b1)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，根据其接收的控制分组中携带的数据分组长度信息和步骤1a)中的设定的簇间通信调制传输不同长度数据分组时需要的波长数量，确定传输数据分组时所需的波长数量m，再控制m个第二检测器从步骤1b)中得到的活跃环形仲裁光波导中，吸收不同的光脉冲信号，并判断已吸收的光脉冲信号的数量k与传输数据分组时所需的波长数量m的关系，若k＝m，执行步骤5c)，否则，执行步骤5b2)；
5b2)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，控制m-k个第二检测器从步骤1b)中得到的活跃环形仲裁光波导中，吸收不同的光脉冲信号，并判断已吸收的光脉冲信号数量k与传输数据分组时所需的波长数量m的关系，若k＝m，执行步骤5c)，否则，执行步骤5b3)；
5b3)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，判断已经仲裁的时间t与步骤1c)设定的仲裁超时门限T的关系，若t＜T，执行步骤5b2)，否则，执行步骤5b4)；
5b4)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，判断已吸收的光脉冲信号数量k与0之间的关系，若k≠0，执行步骤5c)，否则，执行步骤5b2)；
5c)源IP核对应的仲裁/通知控制单元产生携带已吸收光脉冲信号对应波长信息的通知分组，再根据其接收的控制分组中携带的目的IP核位置信息确认通知分组的发送波长，最后控制第二调制器将通知分组调制成相应发送波长的通知光信号，注入到环形通知光波导中，并执行步骤5d)；
5d)目的IP核对应的通知用检测器，从环形通知光波导中吸收并解调通知光信号，还原成通知分组；目的IP核对应的仲裁/通知控制单元，通过第三TSV pad、TSV和第二TSVpad将通知分组传输至对应处理单元；处理单元根据通知分组中携带的波长信息，配置相应波长的第一检测器进入工作状态；
5e)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，通过第三TSV pad、TSV和第二TSV pad将步骤5b)中产生的通知分组发送至对应处理单元，该处理单元根据通知分组携带的波长信息，控制相应波长的第一调制器，将数据分组调制成数据光信号，并注入到环形传输光波导中；
5f)目的IP核对应的发送/接收单元中的第一检测器，吸收并解调环形传输光波中的数据光信号，还原成数据分组；目的IP核对应的处理单元通过第二TSV pad、TSV和第一TSV pad，将还原成的数据分组传输至目的IP核所在簇，所在簇的电交换单元将数据分组传输至目的IP核；目的IP核对应的处理单元产生回应分组，通过第二TSV pad、TSV和第三TSVpad，将该回应分组传输至目的IP核对应的仲裁/通知控制单元；
5g)目的IP核对应的仲裁/通知控制单元接收到回应分组，根据从步骤5d)中得到的通知分组中携带的波长信息，控制第二调制器向环形仲裁光波导中注入对应的光脉冲信号，完成簇间通信；
(6)多播广播通信的实现步骤为：
6a)源IP核产生携带有目的IP核位置信息和多播广播数据信息的信息分组，源IP核对应的电交换单元通过第一TSV pad、TSV和第三TSV pad，将信息分组传输至对应的仲裁/通知控制单元；
6b)仲裁/通知控制单元根据信息分组中携带的目的IP核位置信息，控制第二调制器将信息分组调制成不同波长的数据光信号，并注入到环形通知光波导中；
6c)不同目的IP核对应的通知用检测器，分别吸收并解调环形通知光波导中的数据光信号，还原成信息分组；不同目的IP核对应的仲裁/通知控制单元，分别通过第三TSVpad、TSV和第一TSV pad，将信息分组传输至目的IP核所在簇，所在簇的电交换单元将信息分组传输至目的IP核，完成多播广播通信。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明采用根据数据分组的长度，和网络初始化中的设定的簇间通信调制传输不同长度数据分组时需要的波长数量，确定传输数据分组时所需的波长数量的方法，实现了对不同长度数据分组通信需求的动态适应，与现有基于波长通信的光片上网络的通信方法相比，有效地提高了网络的通信效率。
2.本发明采用对数据分组传输时可使用的波长资源进行仲裁的方法，实现了不同数据分组长度和不同网络负载情况下波长资源的动态配置，实现了使用波长资源增加网络带宽密度和使用波长资源解决阻塞的动态平衡，与现有基于波长通信的光片上网络的通信方法相比，有效地提高了低网络负载时网络资源的利用率，并降低了高网络负载时网络的阻塞情况。
3.本发明可实现单一目的IP核通信需求和多播广播通信需求，拥有良好的通信普适性。
4.本发明在不增加网络通信资源的前提下扩展网络的规模，拥有良好的可扩展性。
附图说明
图1是本发明实施例的三维光片上网络的整体结构示意图；
图2是本发明簇的结构示意图；
图3是本发明发送/接收单元的结构示意图；
图4是本发明控制单元的结构示意图；
图5是本发明通信方法的实现流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种基于环形控制光网络的三维光片上网络，包括电层1、光传输网络层2和光控制网络层3，该三个层面1，2和3形成层叠结构，该三个层面的相对位置不固定，可以有以下六种由下自上的层叠方式：1)电层1-光传输网络层2-光控制网络层3，2)电层1-光控制网络层3-光传输网络层2，3)光传输网络层2-电层1-光控制网络层3，4)光传输网络层2-光控制网络层3-电层1，5)光控制网络层3-电层1-光传输网络层2和6)光控制网络层3-光传输网络层2-电层1；本实施例采用电层1、光传输网络层2和光控制网络层3由下自上的层叠方式，所述电层1，包括由16个簇12组成的方阵，每个簇12连接有第一TSV pad11；所述光传输网络层2，包括通过环形传输光波导23连接的16个发送/接收单元22，所有发送/接收单元22组成方阵，每个发送/接收单元22连接有第二TSV pad21；所述光控制网络层3，包括分别与环形通知光波导33和环形仲裁光波导34相连的16个控制单元32，所有控制单元32组成方阵，每个控制单元32连接有第三TSV pad31；所述16个簇12在电层1中的位置、16个发送/接收单元22在光传输网络层2中的位置和16个控制单元32在光控制网络层3中的位置对应，且第一TSV pad11、第二TSV pad21和第三TSV pad31通过TSV相互连接，形成三维光片上网络。
参照图2，所述簇12，包括IP核121和电交换单元122，所述IP核121为多个，分别与电交换单元122相连，用于实现数据分组的产生、处理和簇内电信号的交换传输，所述电交换单元122通过导线束与第一TSV pad11相连，用于数据分组的层间传输。
参照图3，所述发送/接收单元22，包括处理单元221、由多个第一检测器222组成的第一接收单元和由多个第一调制器223组成的第一发送单元，所述处理单元221与第一接收单元和第一发送单元相连，用于控制处理通知分组，发送和接收数据分组，产生和发送回应分组，所述处理单元221中包含缓存单元，可以缓存数据分组，所述处理单元221通过导线束与第二TSV pad21相连，用于数据分组的层间传输；所述多个第一检测器222和多个第一调制器223分别与环形传输光波导23相连，用于发送、传输和接收光信号，各个第一调制器223可调制形成光信号的波长各不相同，各个第一检测器222可检测光信号的波长各不相同。
参照图4，所述的基于环形控制光网络的三维光片上网络，所述控制单元32，包括仲裁/通知控制单元321、由多个第二检测器322和一个通知用检测器323组成的第二接收单元和由多个第二调制器324组成的第二发送单元，所述仲裁/通知控制单元321与第二接收单元和第二发送单元相连，用于实现波长资源的动态配置、处理通知分组和回应分组，所述仲裁/通知控制单元321通过导线束与第第三TSV pad31相连，用于数据分组的层间传输；所述多个第二检测器322和多个第二调制器324分别与环形仲裁光波导34相连，用于实现波长资源仲裁，各个第二调制器324可调制形成光信号的波长各不相同，各个第二检测器322可检测光信号的波长各不相同，所述通知用检测器323和多个第二调制器324分别与环形通知光波导33相连，用于发送和接收通知信息和多播广播信息，不同簇对应的通知用检测器323可检测的波长唯一且各不相同，通知用检测器始终处于工作状态，光信号从环形通知光波导33经过相应通知用检测器323时，将被其检测并吸收。
参照图5，一种基于环形控制光网络的三维光片上网络的通信方法，包括如下步骤：
步骤1，网络初始化，实现步骤为：
步骤1a，假设簇间通信数据分组的长度，设定簇间通信调制传输不同长度数据分组时需要的波长数量：
当数据分组的长度为(0,256]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为n；
当数据分组的长度为(256,512]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为2n；
当数据分组的长度为(512,768]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为3n；
当数据分组的长度为(768,1024]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为4n；
当数据分组的长度为(1024,1280]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为5n；
当数据分组的长度为(1280,1536]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为6n；
当数据分组的长度为(1536,1792]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为7n；
当数据分组的长度为(1792,+∞)bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为8n；
其中n≥1，且n为整数，n的数量可以根据应用需求动态设定，8n≤光片上网络中可使用波长的总数，光片上网络中可使用波长的数量随着技术的发展不断增加；
步骤1b，光控制网络层中任一控制单元通过第二调制器，向环形仲裁光波导中注入K个不同的光脉冲信号，其中K≥8n，且K为整数，得到活跃的环形仲裁光波导，光脉冲信号注入到环形仲裁光波导后，如果不被相应的第二检测器吸收，将在环形仲裁光波导中一直传输：
步骤1c，设定仲裁超时门限T，T的大小可以根据应用需求动态设定；
步骤1d，对簇及IP核分别进行编号，得到每一个IP核的位置(X，Y)，其中X表示簇编号，Y表示IP核编号；
步骤2，源IP核产生不同的通信需求，当通信需求为单一目的IP核时，执行步骤3)；当通信需求为多播广播时，执行步骤6；
步骤3，源IP核产生数据分组，该数据分组包含从步骤1d得到的每一个IP核位置(X，Y)中提取的源IP核位置(Xs，Ys)和目的IP核位置(Xd，Yd)，其中Xs表示源IP核所在簇编号，Ys表示源IP核编号，Xd表示目的IP核所在簇编号，Yd表示目的IP核编号；根据Xs和Xd的关系，判断数据分组的通信类型，若Xs＝Xd，即源IP核和目的IP核位于同一簇内，则该数据分组的通信类型为簇内通信，并执行步骤4，若Xs≠Xd，即源IP核和目的IP核位于不同簇，则该数据分组的通信类型为簇间通信，并执行步骤5；
步骤4，电交换单元将源IP核产生的数据分组传输至目的IP核，完成簇内通信；
步骤5，簇间通信的实现步骤为：
步骤5a，源IP核产生控制分组，该控制分组包含有数据分组长度信息、源IP核位置信息和目的IP核位置信息，电交换单元通过第一TSV pad、TSV和第三TSV pad，将控制分组传输至对应的仲裁/通知控制单元，并通过第一TSV pad、TSV和第二TSVpad，将源IP核产生的数据分组传输至对应的处理单元进行缓存；
步骤5b，源IP核对应的仲裁/通知控制单元，对数据分组传输时可使用的波长资源进行仲裁，实现步骤为：
步骤5b1，源IP核对应的仲裁/通知控制单元，根据其接收的控制分组中携带的数据分组长度信息和步骤1a中的波长数量设定结果，确定传输数据分组时所需的波长数量m，再控制m个第二检测器从步骤1b中得到的活跃环形仲裁光波导中，吸收不同的光脉冲信号，并判断已吸收的光脉冲信号的数量k与传输数据分组时所需的波长数量m的关系，由于源IP核对应的仲裁/通知，控制单元控制m个第二检测器从步骤1b中得到的活跃环形仲裁光波导中，吸收不同的光脉冲信号，则k≤m；若k＝m，即表示网络中的波长资源充足，数据分组可以使用步骤1b中设定的波长数量进行调制传输，执行步骤5c，若k＜m，即表示网络中的波长资源不足，数据分组尚不能使用步骤1b中设定的波长数量进行调制传输，需等待其他通信完成并释放波长资源，执行步骤5b2；
步骤5b2，源IP核对应的仲裁/通知控制单元，控制m-k个第二检测器从步骤1b中得到的活跃环形仲裁光波导中，吸收不同的光脉冲信号，并判断已吸收的光脉冲信号数量k与传输数据分组时所需的波长数量m的关系，由于源IP核对应的仲裁/通知控制单元，控制m-k个第二检测器从步骤1b中得到的活跃环形仲裁光波导中，吸收不同的光脉冲信号，则k≤m；若k＝m，即表示网络中的波长资源充足，数据分组可以使用步骤1b中设定的波长数量进行调制传输，执行步骤5c，若k＜m，即表示网络中的波长资源不足，数据分组尚不能使用步骤1b中设定的波长数量进行调制传输，需等待网络中其他通信过程完成并释放波长资源，执行步骤5b3；
步骤5b3，源IP核对应的仲裁/通知控制单元，判断已经仲裁的时间t与步骤1c设定的仲裁超时门限T的关系，若t＜T，则表示已经进行仲裁的时间尚未超过设定的仲裁超时门限，即数据分组的发送的时延尚在容忍范围之内，数据分组希望获得更多的波长资源用于调制传输，执行步骤5b2，若t≥T，则表示已经进行仲裁的时间已超过设定的仲裁超时门限，即数据分组的发送的时延已不可容忍，数据分组希望立刻发送以保证通信效率和端到端时延性能，执行步骤5b4；
步骤5b4，源IP核对应的仲裁/通知控制单元，判断已吸收的光脉冲信号数量k与0之间的关系，若k≠0，即表示数据分组可以使用这k个波长资源进行调制传输，执行步骤5c，若k＝0，即表示网络中波长资源严重不足，没有可用于调制传输的波长资源，必须等待网络中其他的通信过程完成并释放波长资源，执行步骤5b2；
通过步骤5b1至5b4，实现了数据分组进行调制发送时使用的波长资源仲裁，保证了在网络中有可用波长资源的前提下，数据分组会在仲裁超时门限T时间内发送；如果网络资源严重不足，网络中可用波长资源紧张，已经仲裁的时间超过仲裁超时门限，一旦网络中其他的通信过程完成并释放了波长资源，数据分组将使用有限的波长资源立刻进行调制传输，以保证端到端的通信时延；
步骤5c，源IP核对应的仲裁/通知控制单元产生携带已吸收光脉冲信号对应波长信息的通知分组，再根据其接收的控制分组中携带的目的IP核位置信息确认通知分组的发送波长，最后控制第二调制器将通知分组调制成相应发送波长的通知光信号，注入到环形通知光波导中，并执行步骤5d；
步骤5d，目的IP核对应的通知用检测器，从环形通知光波导中吸收并解调通知光信号，还原成通知分组；目的IP核对应的仲裁/通知控制单元，通过第三TSV pad、TSV和第二TSV pad将通知分组传输至对应处理单元；处理单元根据通知分组中携带的波长信息，配置相应波长的第一检测器进入工作状态；
步骤5e，源IP核对应的仲裁/通知控制单元，通过第三TSV pad、TSV和第二TSV pad将步骤5b中产生的通知分组发送至对应处理单元，该处理单元根据通知分组携带的波长信息，控制相应波长的第一调制器，将数据分组调制成数据光信号，并注入到环形传输光波导中；
步骤5f，目的IP核对应的发送/接收单元中的第一检测器，吸收并解调环形传输光波中的数据光信号，还原成数据分组；目的IP核对应的处理单元通过第二TSV pad、TSV和第一TSV pad，将还原成的数据分组传输至目的IP核所在簇，所在簇的电交换单元将数据分组传输至目的IP核；目的IP核对应的处理单元产生回应分组，通过第二TSV pad、TSV和第三TSV pad，将该回应分组传输至目的IP核对应的仲裁/通知控制单元；
步骤5g，目的IP核对应的仲裁/通知控制单元接收到回应分组，根据从步骤5d中得到的通知分组中携带的波长信息，控制第二调制器向环形仲裁光波导中注入对应的光脉冲信号，释放占用的波长资源，完成簇间通信；
步骤6，多播广播通信的实现步骤为：
步骤6a，源IP核产生携带有目的IP核位置信息和多播广播数据信息的信息分组，源IP核对应的电交换单元通过第一TSV pad、TSV和第三TSV pad，将信息分组传输至对应的仲裁/通知控制单元；
步骤6b，仲裁/通知控制单元根据信息分组中携带的目的IP核位置信息，控制第二调制器将信息分组调制成不同波长的数据光信号，并注入到环形通知光波导中，利用不同簇的IP核对应通知用检测器可检测光信号的波长不同，可以实现一对多的通信传输，且光信号在环形传输光波导中的传输互不干扰；
步骤6c，不同目的IP核对应的通知用检测器，分别吸收并解调环形通知光波导中的数据光信号，还原成信息分组；不同目的IP核对应的仲裁/通知控制单元，分别通过第三TSV pad、TSV和第一TSV pad，将信息分组传输至目的IP核所在簇，所在簇的电交换单元将信息分组传输至目的IP核，完成多播广播通信。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的修改限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修改和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于环形控制光网络的三维光片上网络，其特征在于，包括电层(1)、光传输网络层(2)和光控制网络层(3)，该三个层面(1，2，3)形成层叠结构；所述电层(1)，包括N个簇(12)，N≥2，每个簇(12)连接有第一TSV pad(11)；所述光传输网络层(2)，包括通过环形传输光波导(23)连接的N个发送/接收单元(22)，每个发送/接收单元(22)连接有第二TSV pad(21)；所述光控制网络层(3)，包括分别与环形通知光波导(33)和环形仲裁光波导(34)相连的N个控制单元(32)，每个控制单元(32)连接有第三TSV pad(31)；所述N个簇(12)在电层(1)中的位置、N个发送/接收单元(22)在光传输网络层(2)中的位置和N个控制单元(32)在光控制网络层(3)中的位置对应，且第一TSV pad(11)、第二TSV pad(21)和第三TSV pad(31)通过TSV相互连接，形成三维光片上网络。
2.根据权利要求1所述的基于环形控制光网络的三维光片上网络，其特征在于，所述簇(12)，包括IP核(121)和电交换单元(122)，所述IP核(121)为多个，分别与电交换单元(122)相连，用于实现簇内电信号的交换传输。
3.根据权利要求1所述的基于环形控制光网络的三维光片上网络，其特征在于，所述发送/接收单元(22)，包括处理单元(221)、由多个第一检测器(222)组成的第一接收单元和由多个第一调制器(223)组成的第一发送单元，所述处理单元(221)与第一接收单元和第一发送单元相连，用于控制处理通知分组，发送和接收数据分组，产生和发送回应分组，所述多个第一检测器(222)和多个第一调制器(223)分别与环形传输光波导(23)相连，用于发送、传输和接收光信号。
4.根据权利要求1所述的基于环形控制光网络的三维光片上网络，其特征在于，所述控制单元(32)，包括仲裁/通知控制单元(321)、由多个第二检测器(322)和一个通知用检测器(323)组成的第二接收单元和由多个第二调制器(324)组成的第二发送单元，所述仲裁/通知控制单元(321)与第二接收单元和第二发送单元相连，用于实现波长资源的动态配置、处理通知分组和回应分组，所述多个第二检测器(322)和多个第二调制器(324)分别与环形仲裁光波导(34)相连，用于实现波长资源仲裁，所述通知用检测器(323)和多个第二调制器(324)分别与环形通知光波导(33)相连，用于发送和接收通知信息和多播广播信息。
5.一种基于环形控制光网络的三维光片上网络的通信方法，包括如下步骤：
(1)网络初始化，实现步骤为：
1a)假设簇间通信数据分组的长度，设定簇间通信调制传输不同长度数据分组时需要的波长数量：
当数据分组的长度为(0,256]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为n；
当数据分组的长度为(256,512]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为2n；
当数据分组的长度为(512,768]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为3n；
当数据分组的长度为(768,1024]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为4n；
当数据分组的长度为(1024,1280]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为5n；
当数据分组的长度为(1280,1536]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为6n；
当数据分组的长度为(1536,1792]bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为7n；
当数据分组的长度为(1792,+∞)bit时，设定簇间通信调制传输时所用波长的数量为8n；
其中n≥1，且n为整数；
1b)光控制网络层中任一控制单元通过第二调制器，向环形仲裁光波导中注入K个不同的光脉冲信号，其中K≥8n，且K为整数，得到活跃的环形仲裁光波导：
1c)设定仲裁超时门限T；
1d)对簇及IP核分别进行编号，得到每一个IP核的位置(X，Y)，其中X表示簇编号，Y表示IP核编号；
(2)源IP核产生不同的通信需求，当通信需求为单一目的IP核时，执行步骤3)；当通信需求为多播广播时，执行步骤6)；
(3)源IP核产生数据分组，该数据分组包含从步骤1d)得到的每一个IP核位置(X，Y)中提取的源IP核位置(Xs，Ys)和目的IP核位置(Xd，Yd)，其中Xs表示源IP核所在簇编号，Ys表示源IP核编号，Xd表示目的IP核所在簇编号，Yd表示目的IP核编号；根据Xs和Xd的关系，判断数据分组的通信类型，若Xs＝Xd，则该数据分组的通信类型为簇内通信，并执行步骤4)，否则，该数据分组的通信类型为簇间通信，并执行步骤5)；
(4)电交换单元将源IP核产生的数据分组传输至目的IP核，完成簇内通信；
(5)簇间通信的实现步骤为：
5a)源IP核产生控制分组，该控制分组包含有数据分组长度信息、源IP核位置信息和目的IP核位置信息，电交换单元通过第一TSV pad、TSV和第三TSV pad，将控制分组传输至对应的仲裁/通知控制单元，并通过第一TSV pad、TSV和第二TSV pad，将源IP核产生的数据分组传输至对应的处理单元进行缓存；
5b)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，对数据分组传输时可使用的波长资源进行仲裁，实现步骤为：
5b1)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，根据其接收的控制分组中携带的数据分组长度信息和步骤1a)中的设定的簇间通信调制传输不同长度数据分组时需要的波长数量，确定传输数据分组时所需的波长数量m，再控制m个第二检测器从步骤1b)中得到的活跃环形仲裁光波导中，吸收不同的光脉冲信号，并判断已吸收的光脉冲信号的数量k与传输数据分组时所需的波长数量m的关系，若k＝m，执行步骤5c)，否则，执行步骤5b2)；
5b2)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，控制m-k个第二检测器从步骤1b)中得到的活跃环形仲裁光波导中，吸收不同的光脉冲信号，并判断已吸收的光脉冲信号数量k与传输数据分组时所需的波长数量m的关系，若k＝m，执行步骤5c)，否则，执行步骤5b3)；
5b3)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，判断已经仲裁的时间t与步骤1c)设定的仲裁超时门限T的关系，若t＜T，执行步骤5b2)，否则，执行步骤5b4)；
5b4)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，判断已吸收的光脉冲信号数量k与0之间的关系，若k≠0，执行步骤5c)，否则，执行步骤5b2)；
5c)源IP核对应的仲裁/通知控制单元产生携带已吸收光脉冲信号对应波长信息的通知分组，再根据其接收的控制分组中携带的目的IP核位置信息确认通知分组的发送波长，最后控制第二调制器将通知分组调制成相应发送波长的通知光信号，注入到环形通知光波导中，并执行步骤5d)；
5d)目的IP核对应的通知用检测器，从环形通知光波导中吸收并解调通知光信号，还原成通知分组；目的IP核对应的仲裁/通知控制单元，通过第三TSV pad、TSV和第二TSV pad将通知分组传输至对应处理单元；处理单元根据通知分组中携带的波长信息，配置相应波长的第一检测器进入工作状态；
5e)源IP核对应的仲裁/通知控制单元，通过第三TSV pad、TSV和第二TSV pad将步骤5b)中产生的通知分组发送至对应处理单元，该处理单元根据通知分组携带的波长信息，控制相应波长的第一调制器，将数据分组调制成数据光信号，并注入到环形传输光波导中；
5f)目的IP核对应的发送/接收单元中的第一检测器，吸收并解调环形传输光波中的数据光信号，还原成数据分组；目的IP核对应的处理单元通过第二TSV pad、TSV和第一TSVpad，将还原成的数据分组传输至目的IP核所在簇，所在簇的电交换单元将数据分组传输至目的IP核；目的IP核对应的处理单元产生回应分组，通过第二TSV pad、TSV和第三TSVpad，将该回应分组传输至目的IP核对应的仲裁/通知控制单元；
5g)目的IP核对应的仲裁/通知控制单元接收到回应分组，根据从步骤5d)中得到的通知分组中携带的波长信息，控制第二调制器向环形仲裁光波导中注入对应的光脉冲信号，完成簇间通信；
(6)多播广播通信的实现步骤为：
6a)源IP核产生携带有目的IP核位置信息和多播广播数据信息的信息分组，源IP核对应的电交换单元通过第一TSV pad、TSV和第三TSV pad，将信息分组传输至对应的仲裁/通知控制单元；
6b)仲裁/通知控制单元根据信息分组中携带的目的IP核位置信息，控制第二调制器将信息分组调制成不同波长的数据光信号，并注入到环形通知光波导中；
6c)不同目的IP核对应的通知用检测器，分别吸收并解调环形通知光波导中的数据光信号，还原成信息分组；不同目的IP核对应的仲裁/通知控制单元，分别通过第三TSV pad、TSV和第一TSV pad，将信息分组传输至目的IP核所在簇，所在簇的电交换单元将信息分组传输至目的IP核，完成多播广播通信。
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