CN112506850B - 一种片上及片间互连网络 - Google Patents

一种片上及片间互连网络 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种片上及片间互连网络。该网络包括：多个片上网络以及控制模块；每个所述片上网络包括多个增强路由器；每个所述增强路由器与业务节点通信；所述增强路由器用于确定网络状态信息，并根据所述网络状态信息判断所述增强路由器的网络状态；所述增强路由器之间通过局部连接通道连通；所述控制模块分别与每个所述增强路由器通信；所述控制模块用于根据所述网络状态以及所述网络状态信息确定路由路径。本发明在保证实现复杂度的情况下，能够减轻互连网络中的拥塞问题，提高互连网络的性能。

Description

一种片上及片间互连网络
技术领域
本发明涉及互连网络领域，特别是涉及一种片上及片间互连网络。
背景技术
随着集成电路技术的不断发展，片上网络(Network-on-Chip，NoC)作为一种新的通信架构，由路由和包交换技术代替了传统片上系统(System-on-Chip，SoC)的总线通信方式。NoC具有高带宽、可扩展性强等优良特性，克服了SoC可扩展性差、通信效率低等问题。
在此基础上，随着脑科学等领域不断发展，对以NoC为基础的大规模的互连网络的需求也越来越迫切。为了模拟大脑计算，对网络规模的要求也自然变得很大。TrueNorth作为一款主流的神经形态计算芯片，其特点是采用NoC片上互连网络进行神经脉冲信号的传播，为实现大规模并行计算，其网络节点采用2D Mesh拓扑结构，内部通信的第一阶段即是遵从简单XY路由的核间通信。以XY为代表的简单路由方式均面临着拥塞等影响网络性能的问题。在NoC网络中，路由交换过程中当路由节点的多个输入端口都需要交换到一个输出端口时，不可避免会逐渐填满入口缓冲区，进而产生拥塞。
中国专利CN106453109A公开了一种片上网络通信方法及路由器，该方法包括片上网络的任一本地路由器接收来自上游路由器发送的微片和下游路由器反馈的下游虚通道信息和拥塞信息，计算出微片到达下游路由器的输出方向。
中国专利CN102291314B公开了一种用于片上网络的有中心流控方法和装置，中心控制器根据实时收集来自发送缓冲区的全部发送请求等信息，选择连通各发送请求对应的通信线路。
以上专利能够在一定程度上缓解拥塞问题，但是一方面由于路由选择的控制信息的通信占用了现有的通信线路，增加了网络负载，另一方面无法对大规模片上及片间互连网络进行拓展，具有局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种片上及片间互连网络，在保证实现复杂度的情况下，能够减轻互连网络中的拥塞问题，提高互连网络的性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种片上及片间互连网络，包括：多个片上网络以及控制模块；
每个所述片上网络包括多个增强路由器；每个所述增强路由器与业务节点通信；所述增强路由器用于确定网络状态信息，并根据所述网络状态信息判断所述增强路由器的网络状态；所述增强路由器之间通过局部连接通道连通；所述网络状态信息包括：发送缓存区占用率，发送缓存区增长率，接收缓存区占用率，接收缓存区增长率，丢包率以及平均传输延时；所述网络状态包括拥塞或者正常；
所述控制模块分别与每个所述增强路由器通信；所述控制模块用于根据所述网络状态以及所述网络状态信息确定路由路径。
可选的，所述控制模块包括总控节点以及多层级的分控节点；
所述总控节点、所述多级的分控节点与所述增强路由器采用树形拓扑结构通信；所述增强路由器为所述树形拓扑结构的叶子节点，所述多级的分控节点为所述树形拓扑结构的中间节点，所述总控节点为所述树形拓扑结构的根节点。
可选的，所述分控节点包括：上层信息收发单元、下层信息收发单元、路由分析计算单元以及存储单元；
所述下层信息收发单元分别所述上层信息收发单元以及下一层级的分控节点的上层信息收发单元通信；
所述路由分析计算单元分别与所述下层信息收发单元、所述上层信息收发单元以及所述存储单元通信；
所述上层信息收发单元与上一层级的分控节点的下层信息收发单元通信。
可选的，所述总控节点包括总控信息收发单元、总控路由分析计算单元以及总控存储单元；
所述总控信息收发单元与下一层级的分控节点通信；所述总控路由分析计算单元分别与所述总控信息收发单元以及所述总控存储单元通信；所述总控存储单元分别与所述总控信息收发单元以及所述总控路由分析计算单元通信。
可选的，所述总控节点、所述多级的分控节点与所述增强路由器的通信机制为自适应轮询机制。
可选的，所述总控节点、所述多级的分控节点与所述增强路由器通过总线连接。
可选的，所述增强路由器包括路由单元、预拥塞判断单元以及信息收发单元；
所述路由单元的输入输出端与所述业务节点通信，所述路由单元的输出端与所述预拥塞判断单元的输入端通信，所述预拥塞判断单元的输出端与所述信息收发单元的输入端通信，所述信息收发单元的输入输出端与所述控制模块通信，所述信息收发单元的输出端与所述理由单元的输入端通信。
可选的，多个所述片上网络之间通过无线连接。
可选的，多个所述片上网络之间采用出错重发机制。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种片上及片间互连网络，即多个片上网络与控制模块通过所述增强路由器通信进行通信，所述增强路由器用于确定网络状态信息，并根据所述网络状态信息判断所述增强路由器的网络状态；所述控制模块用于根据所述网络状态以及所述网络状态信息确定路由路径。即在互连网络中能够降低高负荷节点的压力，很好的减轻拥塞问题，提高整个网络的性能。本发明在保证实现复杂度的情况下，能够减轻互连网络中的拥塞问题，提高互连网络的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种片上及片间互连网络结构图；
图2为本发明所提供的片上网络逻辑图；
图3为本发明所提供的每个增强路由器(路由节点)连线细节图；
图4为本发明所提供的单层(单一共享区)业务面与控制面图；
图5为本发明所提供的增强路由器(路由节点)结构图；
图6为本发明所提供的总控节点结构图；
图7为本发明所提供的增强路由器(路由节点)的预拥塞检测和上报方法流程图；
图8为本发明所提供的分控节点轮询、调度、上传流程图；
图9为本发明所提供的总控节点轮询、调度流程图；
图10为本发明所提供的控制网通信传输交互流程图；
图11为本发明所提供的轮询帧、应答帧、数据帧结构图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种片上及片间互连网络，在保证实现复杂度的情况下，能够减轻互连网络中的拥塞问题，提高互连网络的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种片上及片间互连网络结构图，如图1所示，本发明所提供的一种片上及片间互连网络，包括：多个片上网络10以及控制模块20。多个所述片上网络10之间通过无线连接。此处的控制模块20视为一个控制网。
如图2和图3所示，每个所述片上网络10包括多个增强路由器1；每个所述增强路由器1与业务节点2通信；所述增强路由器1用于确定网络状态信息，并根据所述网络状态信息判断所述增强路由器1的网络状态；所述增强路由器1之间通过局部连接通道3连通；所述网络状态信息包括：发送缓存区占用率，发送缓存区增长率，接收缓存区占用率，接收缓存区增长率，丢包率以及平均传输延时；所述网络状态包括拥塞或者正常。
所述控制模块20分别与每个所述增强路由器1通信；所述控制模块20用于根据所述网络状态以及所述网络状态信息确定路由路径。
所述控制模块20包括总控节点6以及多层级的分控节点7。
一个增强路由器1可以与一个业务节点2通信，也可以与多个业务节点2通信，业务节点2与业务节点2通过增强路由器1通信。
如图1和图4所示，所述总控节点6、所述多级的分控节点7与所述增强路由器1采用树形拓扑结构通信；所述增强路由器1为所述树形拓扑结构的叶子节点，所述多级的分控节点7为所述树形拓扑结构的中间节点，所述总控节点6为所述树形拓扑结构的根节点。
即总控节点6与下一层级的分控节点7构成第1层共享区；各一层级的分控节点7及其各自的子二层级分控节点7构成第2层共享区；各N-1层级分控节点7及其各自子路由节点构成第N层共享区。增强路由器1即为路由节点。
所述分控节点7包括：上层信息收发单元、下层信息收发单元、路由分析计算单元以及存储单元。
所述下层信息收发单元分别所述上层信息收发单元以及下一层级的分控节点7的上层信息收发单元通信。
所述路由分析计算单元分别与所述下层信息收发单元、所述上层信息收发单元以及所述存储单元通信。
所述上层信息收发单元与上一层级的分控节点7的下层信息收发单元通信。
如图6所示，所述总控节点6包括总控信息收发单元、总控路由分析计算单元以及总控存储单元。
所述总控信息收发单元与下一层级的分控节点7通信；所述总控路由分析计算单元分别与所述总控信息收发单元以及所述总控存储单元通信；所述总控存储单元分别与所述总控信息收发单元以及所述总控路由分析计算单元通信。
所述总控节点6、所述多级的分控节点7与所述增强路由器1的通信机制为自适应轮询机制。
所述总控节点6、所述多级的分控节点7与所述增强路由器1通过总线4连接。
在控制网各共享区内，即总控节点6与下一层级的分控节点7之间，各层级的分控节点7与其子节点之间的通信机制为自适应轮询机制，流程如下：
SS1：父节点初始化其所有子节点的轮询频率为均等频率。
SS2：父节点按照其子节点轮询频率制定下一轮的轮询次序。
SS3：父节点按照轮询次序轮询其子节点，发送轮询帧。
SS4：被轮询的子节点若存在网络状态变化信息则向父节点发送应答帧，否则保持沉默。
SS5：父节点等待被轮询子节点反馈，若接收到应答帧，更新存储单元中记录的子节点网络状态，否则若超过阈值时间T，则轮询下一子节点，父节点记录子节点反馈情况。
SS6：重复步骤SS3-SS5，直至本轮次轮询完成，进入步骤SS7。
SS7：父节点根据子节点网络状态信息制定新的最优路由规则，向对应子节点发送数据帧，将新的路由规则更新至其子节点。
SS8：父节点根据记录的子节点的历史反馈频次等信息，增加有网络状态变化的子节点的轮询频率，降低无网络状态变化的子节点的轮询频率，更新轮询频率。
SS9：重复步骤SS2-SS8。
在此基础上，控制模块20的工作流程如下：
SS1：为所有路由节点，即增强路由器1按照最短路由规则初始化路由表。
SS2：为所有分控节点7和总控节点6初始化其子节点网络状态。
SS3：各共享区内父节点按所述自适应轮询机制，依次轮询子节点。
SS4：各共享区内父节点制定新的路由规则，并更新至子节点。
SS5：重复步骤SS3-SS4。
如图5所示，所述增强路由器1包括路由单元、预拥塞判断单元以及信息收发单元。
所述路由单元的输入输出端与所述业务节点2通信，所述路由单元的输出端与所述预拥塞判断单元的输入端通信，所述预拥塞判断单元的输出端与所述信息收发单元的输入端通信，所述信息收发单元的输入输出端与所述控制模块20通信，所述信息收发单元的输出端与所述理由单元的输入端通信。
增强路由器1中预拥塞判断单元的预拥塞判断方法为：
S1：为增强路由器1初始化网络状态信息，包括发送缓存区占用率，发送缓存区增长率，接收缓存区占用率，接收缓存区增长率，丢包率，平均传输延时。
S2：为网络状态信息设置拥塞预警阈值，包括发送缓存区占用率阈值，发送缓存区增长率阈值，接收缓存区占用率阈值，接收缓存区增长率阈值，丢包率阈值，平均传输延时阈值。
S3：当网络状态信息中的任一参数出现跨阈值现象时认为网络状态发生变化，当出现由低到高跨阈值时，判断即将或已经出现拥塞现象，当出现由高到低跨阈值时，判断网络状态由拥塞转为正常。
多个所述片上网络10之间采用出错重发机制。并且，为保证实现的低复杂度要求，在片上网络10不设计出错重发机制。
下面提供一个具体实施案例进一步说明本发明的方案，本发明具体实施案例中以4个片上网络10开发板构成的系统以及控制模块20(控制网)。此处的4个片上网络10构成业务网。其中，具体的过程为：
业务网为4个片上网络10开发板，每个开发板均采用相同结构，每个路由节点与一个业务节点2连接，按照2D Mesh拓扑结构排列，路由节点之间、路由节点和业务节点2之间均采用局部互连线连接。
控制网在物理上由4个开发板上各自的增强路由器1，4个板上控制节点5，1个总控节点6组成，在逻辑上构成3层树形结构，其中1个总控节点6为根节点，4个板上控制节点5为总控节点6的4个子节点，每个板上控制节点5对应的板上路由器为其子节点，也即叶子节点，在每个开发板上有一个板上控制节点5，在逻辑上，总控节点6、各级分控节点7以及增强路由器1构成树形结构，且在各个共享区内部均采用总线4连接的方式。
总控节点6和4个板上控制节点5构成第1层共享区；4个板上控制节点5及其各自板上的增强路由器1构成第2层共享区。
增强路由器1包括路由单元、预拥塞判断单元以及信息收发单元。分控节点7包括上层信息收发单元、下层信息收发单元、路由分析计算单元以及存储单元。总控节点6包括总控信息收发单元、总控路由分析计算单元以及总控存储单元。各计算单元采用ARM处理器，存储单元采用SDRAM；
在连接方式上，在片上，业务网路由节点间的连接方式为局部互连线连接，控制网路由节点间及与最底层控制节点5之间是总线4连接；在片间，各种连接均采用无线连接的方式。
如图7的流程图所示，所示增强路由器1中预拥塞判断单元的预拥塞判断方法为：
S1：为增强路由器1初始化网络状态信息，包括发送缓存区占用率，发送缓存区增长率，接收缓存区占用率，接收缓存区增长率，丢包率，平均传输延时。
S2：为网络状态信息设置拥塞预警阈值，包括发送缓存区占用率阈值，发送缓存区增长率阈值，接收缓存区占用率阈值，接收缓存区增长率阈值，丢包率阈值，平均传输延时阈值。
S3：当网络状态信息中的任一参数出现跨阈值现象时认为网络状态发生变化，当出现由低到高跨阈值时，判断即将或已经出现拥塞现象，当出现由高到低跨阈值时，判断网络状态由拥塞转为正常。
如图7、图8以及图9所示，在控制网各共享区内，即总控节点6与下一层级的分控节点7之间，各层级的分控节点7与其子节点之间的通信机制为自适应轮询机制，流程如下：
SS1：父节点初始化其所有子节点的轮询频率为均等频率。
SS2：父节点按照其子节点轮询频率制定下一轮的轮询次序。
SS3：父节点按照轮询次序轮询其子节点，发送轮询帧。
SS4：被轮询的子节点若存在网络状态变化信息则向父节点发送应答帧，否则保持沉默。
SS5：父节点等待被轮询子节点反馈，若接收到应答帧，更新存储单元中记录的子节点网络状态，否则若超过阈值时间T，则轮询下一子节点，父节点记录子节点反馈情况。
SS6：重复步骤SS3-SS5，直至本轮次轮询完成，进入步骤SS7。
SS7：父节点根据子节点网络状态信息制定新的最优路由规则，向对应子节点发送数据帧，将新的路由规则更新至其子节点。
SS8：父节点根据记录的子节点的历史反馈频次等信息，增加有网络状态变化的子节点的轮询频率，降低无网络状态变化的子节点的轮询频率，更新轮询频率。
SS9：重复步骤SS2-SS8。
其中，轮询帧、应答帧、数据帧结构如图11所示。
如图10所示，在此基础上，控制模块20(控制网)的工作流程如下：
SS1：为所有路由节点，即增强路由器1按照最短路由规则初始化路由表，优选地，在2D Mesh拓扑结构下，路由规则为XY路由，即：2D Mesh拓扑网络上，由m×n个网络节点组成的矩形网络上的每一个节点都根据所处的物理位置有连续且不同的横纵坐标，即(x,y)坐标，x坐标范围为0到n-1，y坐标范围为0到m-1，对于2D Mesh网络上的两个路由节点A(xa,ya)和B(xb,yb)，对于从节点A始发去往节点B的路由规则如下：优先考虑横坐标，当节点A和节点B的横坐标不同时，先暂时忽略纵坐标差异，选择能够使横坐标差值的绝对值减小的方向的邻近节点作为下一跳的节点，更新下一跳节点为节点A，重复选择直到节点A和节点B的横坐标相同；其次考虑纵坐标，当节点A和节点B的纵坐标不同时，由于先考虑横坐标，A节点和B节点的横坐标已经相同，此时，选择能够使纵坐标差值的绝对值减少的方向的邻近节点作为下一跳的节点，更新下一跳的节点为节点A，重复选择直到节点A与节点B的纵坐标相等，即完成路由。
SS2：为所有分控节点7和总控节点6初始化其子节点网络状态。
SS3：各共享区内父节点按所述自适应轮询机制，依次轮询子节点。
SS4：若被轮询节点无信息上传，则保持沉默，否则上传数据。
SS5：各共享区内父节点收到信息之后，制定新的路由规则，并更新至子节点。
SS6：重复步骤SS3-SS5。
此外，为保证实现的低复杂度要求，在片上控制网不设计出错重发机制，在片间引入出错重发机制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于片上及片间互连网络的路径规划装置，其特征在于，包括：多个片上网络以及控制模块；
每个所述片上网络包括多个增强路由器；每个所述增强路由器与业务节点通信；所述增强路由器用于确定网络状态信息，并根据所述网络状态信息判断所述增强路由器的网络状态；所述增强路由器之间通过局部连接通道连通；所述网络状态信息包括：发送缓存区占用率，发送缓存区增长率，接收缓存区占用率，接收缓存区增长率，丢包率以及平均传输延时；所述网络状态包括拥塞或者正常；
所述控制模块分别与每个所述增强路由器通信；所述控制模块用于根据所述网络状态以及所述网络状态信息确定路由路径；
所述控制模块包括总控节点以及多层级的分控节点；
所述总控节点、所述多级的分控节点与所述增强路由器采用树形拓扑结构通信；所述增强路由器为所述树形拓扑结构的叶子节点，所述多级的分控节点为所述树形拓扑结构的中间节点，所述总控节点为所述树形拓扑结构的根节点。
2.根据权利要求1所述的一种基于片上及片间互连网络的路径规划装置，其特征在于，所述分控节点包括：上层信息收发单元、下层信息收发单元、路由分析计算单元以及存储单元；
所述下层信息收发单元分别所述上层信息收发单元以及下一层级的分控节点的上层信息收发单元通信；
所述路由分析计算单元分别与所述下层信息收发单元、所述上层信息收发单元以及所述存储单元通信；
所述上层信息收发单元与上一层级的分控节点的下层信息收发单元通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于片上及片间互连网络的路径规划装置，其特征在于，所述总控节点包括总控信息收发单元、总控路由分析计算单元以及总控存储单元；
所述总控信息收发单元与下一层级的分控节点通信；所述总控路由分析计算单元分别与所述总控信息收发单元以及所述总控存储单元通信；所述总控存储单元分别与所述总控信息收发单元以及所述总控路由分析计算单元通信。
4.根据权利要求1所述的一种基于片上及片间互连网络的路径规划装置，其特征在于，所述总控节点、所述多级的分控节点与所述增强路由器的通信机制为自适应轮询机制。
5.根据权利要求1所述的一种基于片上及片间互连网络的路径规划装置，其特征在于，所述总控节点、所述多级的分控节点与所述增强路由器通过总线连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于片上及片间互连网络的路径规划装置，其特征在于，所述增强路由器包括路由单元、预拥塞判断单元以及信息收发单元；
所述路由单元的输入输出端与所述业务节点通信，所述路由单元的输出端与所述预拥塞判断单元的输入端通信，所述预拥塞判断单元的输出端与所述信息收发单元的输入端通信，所述信息收发单元的输入输出端与所述控制模块通信，所述信息收发单元的输出端与所述路由单元的输入端通信。
7.根据权利要求1所述的一种基于片上及片间互连网络的路径规划装置，其特征在于，多个所述片上网络之间通过无线连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于片上及片间互连网络的路径规划装置，其特征在于，多个所述片上网络之间采用出错重发机制。
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