CN109039949B - 无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法，是由计算模块根据无线节点上无线端口中待发送数据包的长度，以及待发送数据包的已等待时间，计算获得待发送数据包的优先级；由中央控制单元根据数据包的优先级，利用门控机制动态授权无线介质使用权并分配发送时间。本发明能够使无线资源得到充分利用，并能兼顾数据包的优先级，使短数据包优先发送，提高系统响应速度，并合理分配带宽资源，确保可用带宽的最佳利用率。使得多个WI能够在没有任何干扰的情况下共享该无线信道，并确保可用带宽的最佳利用率。

Description

无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法
技术领域
本发明属于集成电路芯片通信控制方法，用于优化无线片上网络中的无线通信，更具体地说是一种无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法。
背景技术
随着集成电路工艺技术的发展和市场需求的推动，单芯片上所能集成的IP核(Intellectual Property core)数目不断增加，片上网络(Network on Chip,NoC)的规模变得越来越大。传统的有线NoC通信架构中，有线多跳传输遭受着高延迟和低能效的问题。为此，国内外研究者提出了一种新的解决方案，即无线片上网络(Wireless Network-on-Chip，WiNoC)。该方案基于传统有线NoC架构，通过引入高带宽、低延迟、低能耗的无线链路，取代传统长距离有线多跳通信路径，可以实现高吞吐率、低延迟的数据通信，为此需要合适的无线介质访问控制机制(Media Access Control,MAC)，以确保无线资源能够被有效利用。片上无线MAC机制要求简单并且高效，现有技术中，许多WiNoC架构均采用简单的令牌传递MAC机制。在令牌传递MAC机制中，无线接口WI被组织在一个虚拟的环中，令牌在WI之间循环。令牌为特定的小数据微片，由无线节点产生。当特定的WI拥有该令牌时，可以在固定时间内使用无线接口发送一个完整数据包。这种方式的优点在于简单，且为分布式，不需要额外的硬件开销，并且使用令牌微片就可以实现MAC机制。但是，无线互连所带来的性能收益也取决于在多核系统上运行的应用程序。这些基于应用的不同流量模式具有不同的注入负载以及不同的时空特性，这会导致各个无线节点的发送数据包的大小并不相同。在将CPU、GPU、存储器和定制逻辑结构(如ASIC)集成在一起的多核系统中，这一情况更加明显。令牌MAC机制忽略了发送数据包大小不相同的情况，当发送数据包所需时间刚好和分配的时间匹配时，这种平均的方式可以有效利用无线资源，否则发送数据包过大或者过小都会浪费珍贵的片上无线资源。
另一方面，令牌MAC机制中，轮询的方式最大程度保证了公平性，并且不会出现饥饿现象。但是这种MAC机制忽略了被发送的数据包可能具有一定的优先级关系，比如无线节点产生的拥塞信息，校验信息等短数据包，这些具有较高优先级的数据包需要优先被发送。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法，给出合适的MAC机制，使无线资源得到充分利用，并能兼顾数据包的优先级，使得多个WI能够在没有任何干扰的情况下共享该无线信道，并确保可用带宽的最佳利用率。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法的特点是：由计算模块根据无线节点上无线端口中数据包的长度，以及数据包的已等待时间，计算获得数据包的优先级；由中央控制单元根据数据包的优先级，利用门控机制动态授权无线介质使用权并分配发送时间。
本发明无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法的特点也在于按如下步骤进行操作：
步骤a、针对子网间的长距离通信使用无线链路进行数据传输，是由子网i中的基本路由节点BR将数据包传送给无线路由器WR的发送缓冲区TB；在所述无线路由器WR的发送缓冲区TB中采用先入先出的缓冲队列FIFO的组织形式，在所述无线路由器WR被允许发送数据时候，首先到达缓冲队列FIFO的数据包优先传输；
步骤b、当数据包头flit到达无线路由器缓冲队列FIFO时，首先由发送控制单元TCU对所述数据包头flit进行解析，获得数据包长度信息，由中央控制单元CCU中的优先级计算单元PCU依据所述数据包长度信息和数据包的已等待时间计算获得各无线路由器WR中待发送数据包的优先级；
步骤c、由中央控制单元CCU根据各无线路器WR的请求信号，将无线介质授权给拥有最高优先级数据包的无线路由器。
本发明无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法的特点也在于：所述优先级计算单元PCU按式(1)计算获得数据包优先级Rp：
Figure BDA0001741007070000021
其中：L1为上一次完成传输的数据包长度，是指上一次获得无线介质授权的无线路由器发送的数据包长度；L2为各无线路由器WR中当前待发送的数据包长度；y为初始化参数，y设置为1；数据包优先级Rp的值越大，优先级越高。
本发明无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法的特点也在于：在所述步骤c中，中央控制单元CCU按如下方式将无线介质授权给拥有最高优先级数据包的无线路由器：
采用多路复用器，所述多路复用器根据待发送数据包的目的地址Dest_WI，选择出当前请求的目的节点的Ready信号，在对应的目的节点已准备好接收数据时，Ready信号为“1”，多路复用器的输出信号置为“1”；
当无线路器WR的请求信号Pg_request和多路复用器的输出信号均为“1”时，由第一与门输出的预使能信号Pre_token跳变为“1”，表示对应的无线路由器已准备好发送数据；
针对计算获得的各数据包优先级Rp，将数据包优先级Rp的值为最大的数据包定义为最高优先级，将最高优先级的数据的优先级计算单元的输出信号priority置为“1”，其它各数据的优先级计算单元的输出信号priority置为“0”；
在优先级计算单元的输出信号priority和预使能信号Pre_token均为1时，由第二与门输出对应的无线路由器的数据发送使能信号token；当数据发送使能信号token为“1”时，使能定时器开始计时，对应的无线路由器同时开始传输数据，在无线路由器完成数据传输时，定时器复位，完成一次数据传输；
本发明无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法的特点也在于：
在数据传输过程中，待发送数据包置于无线路由器WR的发送缓冲区TB，所述无线路器WR的请求信号Pg_request是由所述发送缓冲区TB产生，以所述无线路器WR的请求信号Pg_request为“1”表示对应的无线路由器请求通过无线链路传输数据；
所述发送缓冲区TB将存储在发送缓冲区TB中的数据包头flit传送至解析器Headparser，由所述解析器Header parser解析获得数据包信息，所述数据包信息包括数据包长度信息Pg_length和数据包的目的地址信息Dest_WI，并将所述数据包信息传送给中央控制单元CCU。
本发明无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法的特点也在于：
所述长距离通信是指：满足HW+Z>HB这一条件下的HW，HW为数据包从源节点到目的节点使用无线传输经历的跳数；HB为数据包只走有线链路经历的跳数，Z为根据试验确定的参数，Z的取值依赖于网络规模和无线链路利用率，在10×10的网络规模下通过实验确定Z值为6；
所述数据包的已等待时间是指：通过上一次无线传输定时器获得的上一次无线传输经历的时间。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明方法设置集中控制逻辑，相比现有技术中的令牌方案，无线数据传输时间大幅减少，提高了无线带宽利用率。
2、本发明采用基于优先级的动态无线介质访问控制方法，相比现有技术中的令牌方案，需要紧急发送的数据包，类似无线节点产生的拥塞信息、校验信息等短数据包，可以优先发送，降低了系统响应时间。
3、本发明由于采用基于优先级的动态无线介质访问控制方法，当数据包传输时间相同时，优先级由等待时间决定，等待时间越长，其优先级越高，保证数据完全传输，提高了无线带宽利用率。
4、本发明方法中由于采用基于优先级的动态无线介质访问控制方法，数据包优先级可以动态变化，避免了饥饿情况的产生，确保无线资源充分利用，提高了无线带宽利用率。
5、本发明方法在吞吐率、延迟以及功耗等方面较之相它方法有明显提升。
附图说明
图1为本发明中整体网络拓扑结构图；
图2为本发明中无线路由器架构图；
图3为本发明中整体通信架构图；
图4为本发明中局部通信架构及TCU模块示意图；
图5为本发明中优先级计算单元PCU模块结构示意图；
具体实施方式
本实施例中无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法是由计算模块根据无线节点上无线端口中数据包的长度，以及数据包的已等待时间，计算获得数据包的优先级；由中央控制单元根据数据包的优先级，利用门控机制动态授权无线介质使用权并分配发送时间。
本实施例中动态无线介质访问控制方法是按如下步骤进行操作：
步骤a、针对子网间的长距离通信使用无线链路进行数据传输，是由子网i中的基本路由节点BR将数据包传送给无线路由器WR的发送缓冲区TB；在无线路由器WR的发送缓冲区TB中采用先入先出的缓冲队列FIFO(Frist In Frist Out，FIF0)的组织形式，在无线路由器WR被允许发送数据时候，首先到达缓冲队列FIFO的数据包优先传输。
步骤b、当数据包头flit到达无线路由器缓冲队列FIFO时，首先由发送控制单元TCU(Transmit Control Unit，TCU)对数据包头flit进行解析，获得数据包长度信息，由中央控制单元CCU中的优先级计算单元PCU依据数据包长度信息和数据包的已等待时间计算获得各无线路由器WR中待发送数据包的优先级。
发送控制单元TCU由一个定时器和数据包头解析器组成，数据包头flit包含源ID、目的ID和数据包长度等信息，源ID和目的ID分别由子网ID和子网内ID组成；该拓扑有4个子网，用2位可以表示子网ID，分别为00,01,10,11。每个子网内有25个路由器，可以表示为00000-11001。数据包长度表示传输数据包有多少个flit，本文数据包长度范围为2-8个flit，用3位可以表示。TX采用门控机制，当定时器工作时，使能TX传输缓冲区中数据。
步骤c、由中央控制单元CCU(Center Control Unit，CCU)根据各无线路器WR的请求信号，将无线介质授权给拥有最高优先级数据包的无线路由器。
具体实施中，相应的技术措施也包括：
优先级计算单元PCU按式(1)计算获得数据包优先级Rp：
Figure BDA0001741007070000051
其中：L1为上一次完成传输的数据包长度，是指上一次获得无线介质授权的无线路由器发送的数据包长度；L2为各无线路由器WR中当前待发送的数据包长度；y为初始化参数，y设置为1；数据包优先级Rp的值越大，优先级越高。
中央控制单元CCU按如下方式将无线介质授权给拥有最高优先级数据包的无线路由器：
1.1、采用多路复用器，多路复用器根据待发送数据包的目的地址Dest_WI，选择出当前请求的目的节点的Ready信号，在对应的目的节点已准备好接收数据时，Ready信号为“1”，多路复用器的输出信号置为“1”。
1.2、当无线路器WR的请求信号Pg_request和多路复用器的输出信号均为“1”时，由第一与门输出的预使能信号Pre_token跳变为“1”，表示对应的无线路由器已准备好发送数据。
1.3、针对计算获得的各数据包优先级Rp，将数据包优先级Rp的值为最大的数据包定义为最高优先级，将最高优先级的数据的优先级计算单元的输出信号priority置为“1”，其它各数据的优先级计算单元的输出信号priority置为“0”。
1.4、在优先级计算单元的输出信号priority和预使能信号Pre_token均为1时，由第二与门输出对应的无线路由器的数据发送使能信号token；当数据发送使能信号token为“1”时，使能定时器开始计时，对应的无线路由器同时开始传输数据，在无线路由器完成数据传输时，定时器复位，完成一次数据传输。
在数据传输过程中，待发送数据包置于无线路由器WR的发送缓冲区TB，无线路由器WR的请求信号Pg_request是由发送缓冲区TB产生，以无线路器WR的请求信号Pg_request为“1”表示对应的无线路由器请求通过无线链路传输数据。
发送缓冲区TB将存储在发送缓冲区TB中的数据包头flit传送至解析器Headparser，由解析器Header parser解析获得数据包信息，数据包信息包括数据包长度信息Pg_length和数据包的目的地址信息Dest_WI，并将数据包信息传送给中央控制单元CCU。
长距离通信是指：满足HW+Z>HB这一条件下的HW，HW为数据包从源节点到目的节点使用无线传输经历的跳数；HB为数据包只走有线链路经历的跳数，Z为根据试验确定的参数，Z的取值依赖于网络规模和无线链路利用率，在10×10的网络规模下通过实验确定Z值为6；数据包的已等待时间是指：通过上一次无线传输定时器获得的上一次无线传输经历的时间。
图1为一种混合的片上通信架构，其整体为10×10mesh拓扑，整个片上网络划分为4个子网。底层为有线互联mesh架构。位于子网中央的圆形节点表示具有无线通信能力的无线路由器WR，其它圆形节点表示有线路由器BR。
图2所示为发明提出的无线路由器架构，无线路由器WR由有线路由器和无线接口组成；主要可分为6个模块：输入缓冲区、路由计算模块(Routing Calculation，RC)、虚通道分配器(Virtual Channel Allocator，VA)、交叉开关仲裁器(Switch Arbitration，SA)、交叉开关Crossbar以及WI，其中每个输入Buffer设置多个虚通道(Virtual Channel，VC)。在无线输入输出端口设置无线接口RX和TX。TX端包括发送数据缓存区(Transmitter Buffer，TB)，串行化器Serializer，调制器Modulator和功率放大器(Power Amplifier，PA)收发器模块中天线采用低功耗的Zigzag天线，所有无线节点采用同一种天线，在相同的频率下工作。
图3为本发明提出整体通信架构图。其架构包含四个无线路由器WR的无线接口部分和四个发送控制单元TCU。无线路由器WR之间通过无线链路相互连接。无线路由器WR和发送控制单元TCU通过有线连接。四个发送控制单元TCU和中央控制单元CCU通过有线连接。
图4为本发明提出的局部通信架构及发送控制单元TCU模块示意图。无线路由器WR的无线接口和中央控制单元与TCU均通过有线相互连接。发送控制单元TCU主要由一个定时器和一个数据包头解析器组成。定时器用于使能RX端发送数据，数据包头解析器用于解析数据包头flit。
图5为本发明提出的优先级计算单元PCU模块结构示意图。优先级计算单元PCU由五个寄存器、两个选择器和一个计算模块CU组成。接收各个端口的数据包长度信息并输出对应的数据包优先级信息。

Claims (3)

1.一种无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法，其特征是：由计算模块根据无线节点上无线端口中数据包的长度，以及数据包的已等待时间，计算获得数据包的优先级；由中央控制单元根据数据包的优先级，利用门控机制动态授权无线介质使用权并分配发送时间；所述无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法按如下步骤进行操作：
步骤a、针对子网间的长距离通信使用无线链路进行数据传输，是由子网i中的基本路由节点BR将数据包传送给无线路由器WR的发送缓冲区TB；在所述无线路由器WR的发送缓冲区TB中采用先入先出的缓冲队列FIFO的组织形式，在所述无线路由器WR被允许发送数据时候，首先到达缓冲队列FIFO的数据包优先传输；
步骤b、当数据包头flit到达无线路由器缓冲队列FIFO时，首先由发送控制单元TCU对所述数据包头flit进行解析，获得数据包长度信息，由中央控制单元CCU中的优先级计算单元PCU依据所述数据包长度信息和数据包的已等待时间按式(1)计算获得各无线路由器WR中待发送数据包的数据包优先级Rp：
Figure FDA0003248702860000011
其中：L1为上一次完成传输的数据包长度，是指上一次获得无线介质授权的无线路由器发送的数据包长度；L2为各无线路由器WR中当前待发送的数据包长度；y为初始化参数，y设置为1；数据包优先级Rp的值越大，优先级越高；
步骤c、由中央控制单元CCU根据各无线路器WR的请求信号，按如下方式将无线介质授权给拥有最高优先级数据包的无线路由器：
采用多路复用器，所述多路复用器根据待发送数据包的目的地址Dest_WI，选择出当前请求的目的节点的Ready信号，在对应的目的节点已准备好接收数据时，Ready信号为“1”，多路复用器的输出信号置为“1”；
当无线路器WR的请求信号Pg_request和多路复用器的输出信号均为“1”时，由第一与门输出的预使能信号Pre_token跳变为“1”，表示对应的无线路由器已准备好发送数据；
针对计算获得的各数据包优先级Rp，将数据包优先级Rp的值为最大的数据包定义为最高优先级，将最高优先级的数据的优先级计算单元的输出信号priority置为“1”，其它各数据的优先级计算单元的输出信号priority置为“0”；
在优先级计算单元的输出信号priority和预使能信号Pre_token均为1时，由第二与门输出对应的无线路由器的数据发送使能信号token；当数据发送使能信号token为“1”时，使能定时器开始计时，对应的无线路由器同时开始传输数据，在无线路由器完成数据传输时，定时器复位，完成一次数据传输。
2.根据权利要求1所述的无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法，其特征是：
在数据传输过程中，待发送数据包置于无线路由器WR的发送缓冲区TB，所述无线路器WR的请求信号Pg_request是由所述发送缓冲区TB产生，以所述无线路器WR的请求信号Pg_request为“1”表示对应的无线路由器请求通过无线链路传输数据；
所述发送缓冲区TB将存储在发送缓冲区TB中的数据包头flit传送至解析器Headparser，由所述解析器Header parser解析获得数据包信息，所述数据包信息包括数据包长度信息Pg_length和数据包的目的地址信息Dest_WI，并将所述数据包信息传送给中央控制单元CCU。
3.根据权利要求1所述的无线片上网络中基于优先级的动态无线介质访问控制方法，其特征是：所述长距离通信是指：满足HW+Z>HB这一条件下的HW，HW为数据包从源节点到目的节点使用无线传输经历的跳数；HB为数据包只走有线链路经历的跳数，Z为根据试验确定的参数，Z的取值依赖于网络规模和无线链路利用率，在10×10的网络规模下通过实验确定Z值为6；所述数据包的已等待时间是指：通过上一次无线传输定时器获得的上一次无线传输经历的时间。
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