CN110460530B - 一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法，所述的设计方法包括以下内容：微架构设计：根据路由器的数据传输路径及方式，确定路由器的旁路输入和输出口数；工作时序设计：根据阻塞疏导的功能要求规划数据传输时序；仲裁设计：根据功能要求设计路由器的仲裁机制，确定数据的传输路径。根据数据采集系统中，数据传输过程中某些路由器发生阻塞，而同层其他路由器处于空闲状态这一情况，设计一种新型路由器，为疏导阻塞、提高数据传输速率提供解决方案。从微架构设计、工作时序设计和仲裁设计三个方面设计出的旁路型路由器，既能将数据包往上层路由器传递，又能将数据包向同层路由器进行疏导，有效阻止了阻塞情况的发生。

Description

一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法

技术领域

本发明涉及到片上网络的路由器，尤其涉及一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法。

背景技术

在宏观的计算机互联网络中，路由器有着举足轻重的地位。路由器是计算机网络的桥梁，通过它不仅可以连通不同的网络，还能选择数据传送的路径，并能阻隔非法的访问。路由器作为IP网的核心设备，其技术已成为当前信息产业的关键技术，其设备本身在数据通信中也起到越来越重要的作用。

片上网络（NoC）技术是计算机网络技术在微处理器等芯片中的应用。片上网络的互联结构是由网络接口、路由器和链路三部分组成。其中，网络接口用于在单元和路由器之间转换数据格式；路由器是NoC中的主要部分，主要用于将数据包发送到所需目标位置；链路用于在路由器之间传输数据包。

路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据包信息进行“翻译”，使它们能够相互“读”明白对方的数据，从而扩大网络。路由器有两大典型功能，即数据通道功能和控制功能。数据通道一般由特定的硬件来完成，其功能包括转发决定、背板转发以及输出链路调度等；控制功能一般用软件来实现，其功能包括与相邻路由器之间的信息交换、系统配置、系统管理等。

对于经典的片上网络，其路由器传输通道的数据传输方式可以概括为以下四个阶段：Routing Calculation (RC) ，Switch Allocation (SA) ，Switch Transfer (ST) 和Link Transfer (LT) 。通过这四个阶段，就可以完成数据包的正确传输。

目前，当将NoC应用到数据传输上时，一般使用两入口路由器，此路由器包括：两个输入端口、一个输出端口、路由器输入控制器、路由器输出控制器、常规通道FIFO以及紧急通道FIFO六个部分。

两入口路由器组成的片上网络能完成数据采集的任务，但是，此路由器组成的网络会有两个特点，一是汇聚效应，二是最上层路由器会限制整个网络的吞吐量。汇聚效应会使得上层路由器有较大的数据量，在某些情况下，甚至会使得整个网络发生堵塞。同时，最上层路由器的数据传输速率会限制整个网络的吞吐量。为了解决以上两个问题，我们在两入口路由器的基础上，设计出了一种新型路由器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法，当路由器的数据传输开始发生堵塞时，将数据进行疏导，有效防止数据堵塞的发生，提高了片上网络的通信性能和数据传输速率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法，所述的设计方法包括以下内容：

微架构设计：根据路由器的数据传输路径及方式，确定路由器的旁路输入和输出口数；

工作时序设计：根据阻塞疏导的功能要求规划数据传输时序；

仲裁设计：根据功能要求设计路由器的仲裁机制，确定数据的传输路径。

所述根据路由器的数据传输路径及方式，确定路由器的旁路输入和输出口数包括以下步骤：

确定旁路型路由器的输出输入口数量；

通过旁路输出FIFO和旁路输入FIFO消除死锁现象。

在确定旁路型路由器的输出输入口数量之前还需对典型路由器网络中的常规数据通道和紧急数据通道的特点进行分析判断。

所述根据阻塞疏导的功能要求规划数据传输时序包括以下步骤：

判断旁路路由器是否堵塞，并根据判断结果选择不同的数据传输路径；

当路由器有包从旁路输入时，选择优先通过旁路的包。

所述根据功能要求设计路由器的仲裁机制，确定数据的传输路径包括以下内容：

输入仲裁，当两个下层路由器都有请求时，对数据传输的顺序进行仲裁；

写FIFO仲裁，当路由器读取了一个数据包之后，对数据包被写入的FIFO进行仲裁；

读FIFO仲裁，当路由器要读出一个数据包时，对数据包被读出的FIFO进行仲裁。

本发明的有益效果是：一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法，根据数据采集系统中，数据传输过程中某些路由器发生阻塞，而同层其他路由器处于空闲状态这一情况，设计一种新型路由器，为疏导阻塞、提高数据传输速率提供解决方案。从微架构设计、工作时序设计和仲裁设计三个方面设计出的旁路型路由器，既能将数据包往上层路由器传递，又能将数据包向同层路由器进行疏导，有效阻止了阻塞情况的发生。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为经典的两入口路由器内部结构示意图；

图3为旁路型路由器内部结构 示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

在数据采集系统中，疏导阻塞情况是当今技术中应该重点关注的问题。如果传输的数据量大，传输过程中就极易发生阻塞。阻塞对系统性能指标有极大影响，一方面，它会降低系统的数据传输速率，另一方面，长时间堵塞会使系统中的许多路由器进入“卡死”状态，使得系统无法高效、实时地传输采集的数据。在采集系统面积有限的情况下，大量增多路由器的个数显得不切实际。同时，可以注意到，阻塞不是同时发生的，例如，在采集系统的某一链路上的某一路由器传输发生阻塞，另一链路上的路由器可能正处于“空闲等待状态”。因此，将阻塞的路由器上传输的数据传递给空闲的路由器，可以有效地疏导阻塞，防止阻塞情况地发生，这就是旁路型路由器的本质。

如图1所示，一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法，所述的设计方法包括以下内容：

S1、微架构设计：根据路由器的数据传输路径及方式，确定路由器的旁路输入和输出口数；同时注意避免产生死锁。

S2、工作时序设计：根据阻塞疏导的功能要求规划数据传输时序；在满足疏导阻塞功能的前提下，合理规划时序，尽量减少传输所需要的时间

S3、仲裁设计：根据功能要求设计路由器的仲裁机制，确定数据的传输路径。根据功能要求，设计路由器的仲裁机制，当数据传输至此路由器时，选择直接输出至数据链路中的下层路由器，还是旁路输出至同层路由器。

所述根据路由器的数据传输路径及方式，确定路由器的旁路输入和输出口数包括以下步骤：

S11、对典型路由器网络中的常规数据通道和紧急数据通道的特点进行分析判断；

进一步地，如图2所示，典型的路由器网络中，有两种数据通道，一种是常规数据通道，另一种是紧急数据通道。常规数据的特点是数据量大、优先度不太高。紧急数据的特点是数据量少、频率低、对及时性要求高以及优先度高。根据以上对数据特点的分析可以判断出，常规数据通道易发生堵塞，而紧急数据通道不容易发生堵塞。因此，在旁路型路由器中，对于紧急数据通道，采用经典路由器的微架构，不进行重新设计；而对于常规数据通道，需要重新设计其微架构。

这个路由器只能将紧急数据从下层路由器传输到上层路由器。而对于常规数据，这个路由器可以将其传输到上层路由器或者疏导到同层路由器。当路由器未阻塞的时候，路由器就将其直接传输到上层路由器。而当路由器阻塞的时候，路由器就会将其疏导到同层路由器。

S12、确定旁路型路由器的输出输入口数量；

进一步地，从图2的经典路由器的微架构可以看出，路由器有：两个和下层路由器相连的入口，以及一个和上层路由器相连的出口。对于不发生阻塞的情况，二入口一出口的结构完全可以满足数据采集系统从传感器层至终端的传输采集数据的需求。而旁路型路由器的主要功能是疏导阻塞，将传输数据疏导至同层的路由器上。我们发明的旁路型路由器的出入口数量如下：

（1）两个和下层路由器相连的入口；

（2）一个和上层路由器相连的出口；

（3）两个和同层其他路由器相连的入口；

（4）两个和同层其他路由器相连的出口。

S13、通过旁路输出FIFO和旁路输入FIFO消除死锁现象。

进一步地，为了避免死锁，我们使用了两类FIFO。一个是旁路输出FIFO（FIFO①和FIFO②），另一个是旁路输入FIFO（FIFO③和FIFO④）。旁路输出FIFO只能从下层路由器中读取数据包。同时，旁路输出FIFO只能向另一个路由器的旁路输入FIFO写入数据包。旁路输入FIFO只能向上层的路由器写数据包。如此设计就能避免形成一个环，而出现死锁现象。通过将旁路FIFO分为这两类FIFO，就能避免死锁现象的出现。

进一步地，如图3所示，在旁路型路由器中本发明设计出的微架构。从图中可以知道这个路由器有4种控制器。这四种控制器的功能将会决定路由器的功能。因此这里，将根据路由器给功能来设计这4种路由器。

路由器输入控制器有两个功能，一是仲裁哪个输入端口能往FIFO里写入数据，二是判断写数据是往哪个FIFO写数据。旁路输出控制器的功能是提出请求。旁路输入控制器的功能是应答请求。路由器输出控制器的功能是判断将哪个FIFO的数据包读出到上层路由器。

所述根据阻塞疏导的功能要求规划数据传输时序包括以下步骤：

S21、判断旁路路由器是否堵塞，并根据判断结果选择不同的数据传输路径；

进一步地，当旁路型路由器未堵塞且无其他数据包通过旁路入口送入此路由器时，此路由器的时序就和一般的两入一出路由器的时序相同。在第一个时钟周期内，先判断哪个下层路由器的包能够写入，然后判断写入路由器的哪个FIFO，再将数据包的头包写入此FIFO中。在下一个时钟周期中，写入尾包并将头包读出到上一层的路由器。在下一个时钟周期中，读出尾包。这一过程总共需要花费3个时钟周期。

当路由器堵塞时，时序会不同。在第一个时钟周期内，先判断哪个下层路由器的包能够写入，然后判断写入路由器的哪个FIFO，再将数据包的头包写入此FIFO中。此时头包只能写入路由器的两个旁路输出的FIFO中的一个。在下一个时钟周期中，写入尾包并将头包读出至旁路路由器。旁路路由器即为同层的其他路由器。在下一个时钟周期中，读出尾包。这一过程总共需要花费3个时钟周期。

S22、当路由器有包从旁路输入时，选择优先通过旁路的包。

进一步地，当路由器有包从旁路输入时，路由器会优先通过旁路的包。在第一个时钟周期中，路由器会将旁路的头包写入。在下一个时钟周期中，路由器会判断读出哪个旁路包并将其头包读出至上层路由器，同时写入尾包。在下一个时钟周期，将尾包读出。此过程总共要花费3个时钟周期。

所述根据功能要求设计路由器的仲裁机制，确定数据的传输路径包括以下内容：

S31、输入仲裁，当两个下层路由器都有请求时，对数据传输的顺序进行仲裁；、

进一步地，当两个下层路由器都有请求时，会产生冲突，因此需要仲裁。此处的仲裁方式采用乒乓式仲裁。例如，若C路由器当前读取了A路由器的包，那么下次就读取B路由器的包，再下次就读取A路由器的包，如此往复。如此就能最大限度的保证仲裁公平。

S32、写FIFO仲裁，当路由器读取了一个数据包之后，对数据包被写入的FIFO进行仲裁；

进一步地，当路由器读取了一个包之后，可选择被写入的FIFO有4个，分别是紧急通道、常规通道、FIFO①和FIFO②，如图3所示，因此需要分情况写入包。当读入的包是紧急数据包时，写入紧急通道。当读入的是常规数据包且常规通道未满时，写入常规通道。当读入的是常规数据包且常规通道已满（堵塞）时，写入FIFO①或者FIFO②。其中，FIFO①和FIFO②的写入方式是乒乓式写包。即，如果当前仲裁写入包给FIFO①，那么下次的包就写给FIFO②，再下次就写给FIFO①，如此往复。此写包方式不仅可以将数据包公平的传递至同层路由器，而且在不需要通过旁路疏通时也能保留两入一出的路由器的基本功能和时序。

S33、读FIFO仲裁，当路由器要读出一个数据包时，对数据包被读出的FIFO进行仲裁。

进一步地，当路由器要读出它的数据包时，此时一共有4个FIFO可读。它们分别是紧急通道、常规通道、FIFO③、FIFO④。如图3。当紧急通道中有数据包时，优先读出紧急数据包。当紧急通道、FIFO③和FIFO④中都没数据包且常规通道中有数据包时，读出常规通道中的数据包。当紧急通道中没数据包且常规通道的FIFO未满且FIFO③或FIFO④中有数据包时，读出FIFO③或FIFO④中的数据包。FIFO③和FIFO④的读取方式是乒乓式读包。举个例子：这次读了FIFO③中的包，那下次就读FIFO④中包，再下次就读FIFO③，如此往复。当紧急通道中没有数据包且常规通道中的FIFO满时，优先读出常规通道中的数据包。这是为了避免从旁路传至此路由器的包将下层路由器传来的数据包给堵塞的情况。综上，读FIFO仲裁能满足三个要求。一是乒乓式读旁路传输的包的要求，二是在不需要利用旁路来疏导阻塞时，也能保留两入一出的路由器的基本功能和时序，三是不让旁路的数据包过度影响路由器上链路传输的数据包。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法，其特征在于：所述的设计方法包括以下步骤：

微架构设计：根据路由器的数据传输路径及方式，确定路由器的旁路输入和输出口数；

旁路型路由器的输入和输出口数具体为：两个和下层路由器相连的入口，一个和上层路由器相连的出口，两个和同层其他路由器相连的入口，两个和同层其他路由器相连的出口；

通过旁路输出FIFO和旁路输入FIFO消除死锁现象：旁路输出FIFO只能从下层路由器中读取数据包，同时，旁路输出FIFO只能向另一个路由器的旁路输入FIFO写入数据包；旁路输入FIFO只能向上层的路由器写数据包；

工作时序设计：根据阻塞疏导的功能要求规划数据传输时序；

判断旁路路由器是否堵塞，并根据判断结果选择不同的数据传输路径；

当旁路型路由器未堵塞且无其他数据包通过旁路入口送入此路由器时，时序和一般的两入一出路由器的时序相同；

当路由器堵塞时，第一个时钟周期内，先判断哪个下层路由器的包能够写入，然后判断写入路由器的哪个FIFO，再将数据包的头包写入此FIFO中；在第二个时钟周期中，写入尾包并将头包读出至旁路路由器；在第三个时钟周期中，读出尾包；

当路由器有包从旁路输入时，选择优先通过旁路的包；在第一个时钟周期中，路由器会将旁路的头包写入；在第二个时钟周期中，路由器会判断读出哪个旁路包并将其头包读出至上层路由器，同时写入尾包；在第三个时钟周期，将尾包读出；

仲裁设计：根据功能要求设计路由器的仲裁机制，确定数据的传输路径；

当数据传输至此路由器时，选择直接输出至数据链路中的下层路由器，还是旁路输出至同层路由器。

2.根据权利要求1所述的一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法，其特征在于：在确定旁路型路由器的输出输入口数量之前还需对典型路由器网络中的常规数据通道和紧急数据通道的特点进行分析判断。

3.根据权利要求1所述的一种面向数据采集系统的阻塞疏导旁路型路由器设计方法，其特征在于：所述根据功能要求设计路由器的仲裁机制，确定数据的传输路径包括以下内容：

输入仲裁，当两个下层路由器都有请求时，对数据传输的顺序进行仲裁；

写FIFO仲裁，当路由器读取了一个数据包之后，对数据包被写入的FIFO进行仲裁；

读FIFO仲裁，当路由器要读出一个数据包时，对数据包被读出的FIFO进行仲裁。

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