CN113543154A - 无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点及重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点及重构方法，是利用设计的多路复用器，以根据历史流量信息周期性的重构无线节点；通过控制模块的设计，以减少重构所带来的性能开销。本发明使用了较小的额外面积和功耗开销，增加了无线接口的灵活性，且在不同的流量模式下，降低了数据包的平均传输延迟，提高了饱和吞吐量，从而有效提升了网络的性能。

Description

无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点及重构方法

技术领域

本发明属于集成电路芯片设计的应用技术领域，特别是一种无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点及重构方法。

背景技术

随着集成电路制造技术的不断发展，片上可集成的晶体管尺寸不断缩小，从而能够在单个芯片上实现更多的功能模块。这些模块之间为了完成某一作业需要分工协作，从而产生了大量的片上通信流量。因此我们需要为芯片内部设计一个可靠且高效的通信架构。传统的总线通信架构由于其灵活性低、高冲突率和并发性差的原因，使它已经不再能满足现代的片上通信需求。21世纪初，部分西方学者借鉴宏观计算机网络分组传输原理并将其应用到芯片上，称该技术为NoC(Network-on-Chip)。这一技术将原本基于连接的数据传输升级为基于分组的数据包传输，从而在同一时刻能够使不同通信节点对之间并发传输数据。图1是NoC的基础架构，它主要由四部分组成，分别是功能模块(FunctionModule)、网络接口(NetworkInterface)、片上路由器和有线链路组成。功能模块主要包括片上内存、计算单元等部件。网络接口的主要作用是连接片上路由器和功能模块并对来自双方的数据进行缓存和加工。片上路由器用来将数据包从源FM传输至目的FM，从而实现不同FM间的信息交互。

在NoC中通信延迟主要由链路延迟和路由器延迟两部分组成。因为数据包的源FM和目的FM相距越远，它所经过的中间路由器和链路就会越多，所以对于进行长距离多跳传输的数据包，它有着很高的端到端延迟。而且随着片上集成核心的数目不断增多，上述问题会愈发严重。得益于天线制造技术的不断进步，可以在芯片上集成小型无线收发组件，例如mm-wave、CNT等。WiNoC通过在片上相距较远的核心之间布置无线收发组件来为它们提供快捷无线链路以解决上述问题。因为片上集成天线的面积和功耗开销都是比较大的，所以需要充分利用它。

一般为片上网络配置无线接口分为两步，步骤一是选择哪些片上路由器直连到无线接口，步骤二是为无线接口分配无线信道。在现有方案中，步骤一通常会选择固定的一个或几个片上路由器，而且在整个运行过程中不发生变化。步骤二已有基于历史流量信息的分配策略，它采用了CMesh的基础网络架构，片上共有64个FM和16个路由器。如图2所示，每个路由器连接四个FM且配备了六个无线接收器和四个无线发送器Tij(i和j分别可取0,1,2,3)。六个无线接收器用于接收三个外部子网发送来的数据。四个无线发送器中有三个固定发送器和一个可变发送器。固定发送器用于在固定两个子网之间传输数据。例如，固定发送器T23用于子网2向子网3发送数据。可变发送器根据历史流量状态自适应调整它的目的子网。例如，可变发送器T0j可根据历史流量状态周期性的改变为T01、T02或T03。但是，它的技术要求、面积开销和功耗都是比较大的。虽然A-WiNoC文中通过阐述无线技术的发展趋势，在理论上论述了工业实现的可能性，但是在现有的技术条件下并不能实现。以上已有技术存在以下问题：一是可扩展性问题，随着网络规模的扩张，不可能为每个路由器配备无线收发组件；二是交叉开关复杂度问题，单个路由器连接的FM越多，交叉开关复杂度呈平方提升；三是无线通信的平行性问题。

发明内容

本发明是为了避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点及重构方法，以期能使用较小的额外面积和功耗开销，增加无线接口的灵活性，且在不同的流量模式下，降低数据包的平均传输延迟，提高饱和吞吐量，从而有效提升网络的性能。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点，是应用于无线片上网络的单个子网中；所述单个子网还包括若干个片上路由器；其特点是，所述可重构无线节点包括：N个多路复用器、控制模块、N对发送/接收缓冲区；

所述控制模块包括：比较模块、分配模块、N个MAX寄存器、N个OUT_old寄存器、N个OUT_new寄存器、N个Available寄存器；

初始化周期数t＝1；所述N个OUT_old寄存器和N个OUT_new寄存器均存储有初始第t-1个周期的路由器编号；

所述可重构无线节点中的控制模块在第t个周期内接收子网内其它片上路由器传入的流量数据，并将通过所述比较模块从第t个周期内传入的若干个流量数据中筛选出最大的N个流量数据，并将其对应的片上路由器编号按照从大到小的顺序依次赋值给N个MAX寄存器；

所述分配模块获取所述N个MAX寄存器在第t个周期存储的数据后，将第i个MAX_i寄存器的数据分别与N个OUT_old寄存器中存储的第t-1个周期的数据一一进行比较，若找到相同的数据，则保留OUT_old寄存器和OUT_new寄存器中相应位置的数据，否则，将第i个MAX寄存器的数据存储到第i个OUT_new_i寄存器中；i＝1,2…,N-1,N；

第i个Available_i寄存器判断是否满足重构条件，若满足，则将第i个OUT_new_i寄存器的数据赋值第i个OUT_old寄存器，并将第i个OUT_old_i寄存器的数据作为第i个多路复用器的选择信号，从而选通第i个OUT_old_i的寄存器中存储的编号所对应的片上路由器，从而实现无线节点的重构；否则，不改变i个多路复用器的选通状态；其中，所述重构条件为第i个发送缓冲区为空或缓冲区头部微片类型为头微片，且第i个接收缓冲区为空或缓冲区尾部微片类型为尾微片。

本发明所述的无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点的特点也在于，所述流量数据是按如下方式进行统计：

片上路由器统计在第t个周期内在自身子网络中注入或消耗的潜在无线数据包的数量，并用4bit表示；所述潜在无线数据包是指数据包的源节点和目的节点不在同一子网中，且节点间距离大于跳数阈值。

本发明一种无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点的重构方法，是应用于由一个无线节点和若干个片上路由器构成的无线片上网络单个子网中，其特点是，所述重构方法是按如下步骤进行的：

步骤1、定义当前周期数为t，并初始化t＝1；且第t个周期内包含N×T个子周期；N表示子周期的数量，T表示子周期的时长；

令所述无线节点中的N个OUT_old寄存器和N个OUT_new寄存器均存储有初始第t-1个周期的路由器编号；

步骤2、在第t个周期内，单个子网内的所有片上路由器统计自身在本地子网络中注入或消耗的潜在无线数据包的数量并作为自身的流量数据；

若当前子周期数是T的倍数，则进入步骤3；

若当前子周期数是T-1的倍数，则进入步骤4；

步骤3、所有片上路由器将自己的统计信息清0，随后进入步骤1；

步骤4、片上路由器将自身所统计的流量数据发送给其所属的子网的无线节点，所述无线节点收所有片上路由器统计的流量数据后，选取最大的N个流量数据所对应的片上路由器编号依次赋值给N个MAX寄存器；

步骤5、定义变量i并初始化i＝1；

步骤6、将第i个MAX_i寄存器的数据分别与N个OUT_old寄存器中存储的第t-1个周期的数据一一进行比较，若找到相同的数据，则保留OUT_old寄存器和OUT_new寄存器中相应位置的数据，否则，将第i个MAX寄存器的数据存储到第i个OUT_new_i寄存器中；

步骤7、将i+1赋值给i后，返回步骤6执行，直到i＝N为止；

步骤8、初始化i＝1；

步骤9、第i个Available_i寄存器判断是否满足重构条件，若满足，则将第i个OUT_new_i寄存器的数据赋值第i个OUT_old寄存器，从而选通第i个OUT_old_i的寄存器中存储的编号所对应的片上路由器作为无线节点直连的路由器，以实现无线节点的重构；否则，不改变i个多路复用器的选通状态，并将i+1赋值给i后，返回步骤9执行，直到i＝N为止，其中，所述重构条件为第i个发送缓冲区为空或缓冲区头部微片类型为头微片，且第i个接收缓冲区为空或缓冲区尾部微片类型为尾微片。

与已有技术相比，本发明效果体现在：

1、本发明利用程序运行时的时间和空间局部性特点，将灵活性较差的传统无线接口升级为流量自适应的可重构无线接口，并利用多路复用器MUX来周期性的重构，以适应于当前的片上流量，从而提高了无线节点的利用效率。

2、本发明通过控制模块的设计，在不影响无线节点优化有线链接的同时减小了其发生重构的概率。

3、本发明设计了支持可重构无线节点的片上路由器，并通过重构条件的限制，防止了数据包在传输过程中发生丢失和乱序等问题。

4、本发明设计的分配模块，减少了重构所引起的性能开销；且在无线节点处设置并行缓冲区，提高了无线数据传输的并行性。

附图说明

图1是本发明中无线片上网络的拓扑结构示意图；

图2是本发明中无线节点的示意图；

图3是本发明中无线接口的控制模块内部逻辑结构示意图；

图4是本发明中支持可重构无线节点的片上路由器内部逻辑结构示意图。

具体实施方式

本实施例中，一种无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点，是应用于无线片上网络的单个子网中，单个子网还包括若干个片上路由器，其拓扑结构如图1所示，它由4个子网构成，每个子网有一个无线节点和若干个片上路由器。无线链路用于子网间通信，有线链路用于子网内通信。

其中，可重构无线节点如图2所示，包括：N个多路复用器、控制模块、N对发送/接收缓冲区。其中，控制模块的主要作用是周期性的选择三个路由器链接到无线节点。它会周期性的接收本子网内所有片上路由器统计的流量数据。接收缓冲区用于缓存片上路由器到无线收发器的数据，发送缓冲区用于缓存无线收发器到片上路由器的数据。

该控制模块的结构如图3所示，包括：比较模块、分配模块、N个MAX寄存器、N个OUT_old寄存器、N个OUT_new寄存器、N个Available寄存器。控制模块的输入信号是clk和M个Count信号(M的大小等于子网中片上路由器的数量)，输出信号是N个Control_signal_for_MUX信号(N的大小等于无线节点中多路复用器的数量)。clk是时钟信号。Count是一个四位信号，表示本地子网中的路由器在给定时间t内统计的流量数据。例如，图3中的Count₀信号表示编号为0的路由器统计的流量数据。Control_signal_for_MUX是一个四位信号，用来控制图1中的多路复用器。例如，若图3中Control_signal_for_MUX1信号为0001，那么图1中的最上方的多路复用器会选择R1路由器连通到其所属缓冲区。

比较模块周期性的对M个Count信号进行比较且选出最大的三个从大到小依次为N个MAX寄存器置位。分配模块根据N个OUT_old寄存器中的值，并遵循最小化重构概率的原则，将N个MAX寄存器分别赋值给N个OUT_new寄存器。例如图3中，假设当前3个OUT_old寄存器值依次为0001、0010和0100，N个MAX寄存器值依次为0010、0111和0001。如果采用固定映射的方式N个OUT_new会被依次赋值为0010、0111和0001，则图1中的三个MUX都要进行重构。而采用本文的分配模块进行动态映射，3个OUT_new会被依次赋值为0001、0010和0111,那么只需要对其中一个MUX进行重构。

初始化周期数t＝1；N个OUT_old寄存器和N个OUT_new寄存器均存储有初始第t-1个周期的路由器编号。

可重构无线节点中的控制模块在第t个周期内接收子网内其它片上路由器传入的流量数据，并将通过比较模块从第t个周期内传入的若干个流量数据中筛选出最大的N个流量数据，并将其对应的片上路由器编号按照从大到小的顺序依次赋值给N个MAX寄存器。例如，若图3的M个Count信号中，前三大的信号从大到小依次为Count₂、Count₄和Count₁₄,那么3个MAX寄存器依次置位为0010、0100和1110。

上述流量数据是按如下方式进行统计：片上路由器统计在第t个周期内在自身子网络中注入或消耗的潜在无线数据包的数量，并用4bit表示；潜在无线数据包是指数据包的源节点和目的节点不在同一子网中，且节点间距离大于跳数阈值；

分配模块获取N个MAX寄存器在第t个周期存储的数据后，将第i个MAX_i寄存器的数据分别与N个OUT_old寄存器中存储的第t-1个周期的数据一一进行比较，若找到相同的数据，则保留OUT_old寄存器和OUT_new寄存器中相应位置的数据，否则，将第i个MAX寄存器的数据存储到第i个OUT_new_i寄存器中；i＝1,2…,N-1,N；

第i个Available_i寄存器判断是否满足重构条件，若满足，则将第i个OUT_new_i寄存器的数据赋值第i个OUT_old寄存器，并将第i个OUT_old_i寄存器的数据作为第i个多路复用器的选择信号，从而选通第i个OUT_old_i的寄存器中存储的编号所对应的片上路由器，从而实现无线节点的重构；否则，不改变i个多路复用器的选通状态；其中，重构条件为第i个发送缓冲区为空或缓冲区头部微片类型为头微片，且第i个接收缓冲区为空或缓冲区尾部微片类型为尾微片。

如图2所示，多路复用器共包括三个16选1的多路复用器(MUX)组成，它们的连通状态由控制模块所决定，用于实现重构。如图1所示，分别对子网中的片上路由器编号Ri(i＝0,1,…,14,15)。例如，若控制模块输出为0010_1001_1110(从左至右)，则将R2链接到上MUX对应的缓冲区，将R9链接到中MUX对应的缓冲区，将R14链接到下MUX对应的缓冲区。

本实施例中，一种无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点的重构方法，是应用于由一个无线节点和若干个片上路由器构成的无线片上网络单个子网中，该重构方法是按如下步骤进行的：

步骤1、定义当前周期数为t，并初始化t＝1；且第t个周期内包含N×T个子周期；N表示子周期的数量，T表示子周期的时长；

令无线节点中的N个OUT_old寄存器和N个OUT_new寄存器均存储有初始第t-1个周期的路由器编号；

步骤2、在第t个周期内，单个子网内的所有片上路由器统计自身在本地子网络中注入或消耗的潜在无线数据包的数量并作为自身的流量数据。流量数据是指其在第t个周期内在自身子网络中注入或消耗的潜在无线数据包的数量；

若当前子周期数是T的倍数，则进入步骤3；

若当前子周期数是T-1的倍数，则进入步骤4；

步骤3、所有片上路由器将自己的统计信息清0，随后进入步骤1；

步骤4、片上路由器将自身所统计的流量数据发送给其所属的子网的无线节点，无线节点收所有片上路由器统计的流量数据后，选取最大的N个流量数据所对应的片上路由器编号依次赋值给N个MAX寄存器；

步骤5、定义变量i并初始化i＝1；

步骤6、将第i个MAX_i寄存器的数据分别与N个OUT_old寄存器中存储的第t-1个周期的数据一一进行比较，若找到相同的数据，则保留OUT_old寄存器和OUT_new寄存器中相应位置的数据，否则，将第i个MAX寄存器的数据存储到第i个OUT_new_i寄存器中；

步骤7、将i+1赋值给i后，返回步骤6执行，直到i＝N为止；

步骤8、初始化i＝1；

步骤9、第i个Available_i寄存器判断是否满足重构条件，若满足，则将第i个OUT_new_i寄存器的数据赋值第i个OUT_old寄存器，从而选通第i个OUT_old_i的寄存器中存储的编号所对应的片上路由器作为无线节点直连的路由器，以实现无线节点的重构；否则，不改变i个多路复用器的选通状态，并将i+1赋值给i后，返回步骤9执行，直到i＝N为止，其中，重构条件为第i个发送缓冲区为空或缓冲区头部微片类型为头微片，且第i个接收缓冲区为空或缓冲区尾部微片类型为尾微片。

图4是支持可重构无线节点的片上路由器，其在传统路由器的基础上添加了少量组件，包括一个DEMUX、一个MUX和计数器。计数器用来统计自身的流量数据。图4中，Input_port_WI和Output_port_WI是无线方向的输入和输出端口，只有当本地路由器被其所属子网的无线节点选中时它们才是有效的。图1中发送缓冲区中数据包的目的节点有两种可能，分别是本地路由器或归属于本地子网的其他路由器。当目的节点是本地路由器时，DEMUX连通Input_port_WI和Output_port_Local2。当目的节点是其他路由器时，DEMUX连通Input_port_WI和本地方向输入缓冲区。为了防止注入到本地方向输入缓冲区的数据包乱序，本方案只有在该缓冲区尾部是尾微片时，MUX才会选择Input_WI。

Claims (3)

1.一种无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点，是应用于无线片上网络的单个子网中；所述单个子网还包括若干个片上路由器；其特征是，所述可重构无线节点包括：N个多路复用器、控制模块、N对发送/接收缓冲区；

所述控制模块包括：比较模块、分配模块、N个MAX寄存器、N个OUT_old寄存器、N个OUT_new寄存器、N个Available寄存器；

初始化周期数t＝1；所述N个OUT_old寄存器和N个OUT_new寄存器均存储有初始第t-1个周期的路由器编号；

所述可重构无线节点中的控制模块在第t个周期内接收子网内其它片上路由器传入的流量数据，并将通过所述比较模块从第t个周期内传入的若干个流量数据中筛选出最大的N个流量数据，并将其对应的片上路由器编号按照从大到小的顺序依次赋值给N个MAX寄存器；

所述分配模块获取所述N个MAX寄存器在第t个周期存储的数据后，将第i个MAX_i寄存器的数据分别与N个OUT_old寄存器中存储的第t-1个周期的数据一一进行比较，若找到相同的数据，则保留OUT_old寄存器和OUT_new寄存器中相应位置的数据，否则，将第i个MAX寄存器的数据存储到第i个OUT_new_i寄存器中；i＝1,2…,N-1,N；

第i个Available_i寄存器判断是否满足重构条件，若满足，则将第i个OUT_new_i寄存器的数据赋值第i个OUT_old寄存器，并将第i个OUT_old_i寄存器的数据作为第i个多路复用器的选择信号，从而选通第i个OUT_old_i的寄存器中存储的编号所对应的片上路由器，从而实现无线节点的重构；否则，不改变i个多路复用器的选通状态；其中，所述重构条件为第i个发送缓冲区为空或缓冲区头部微片类型为头微片，且第i个接收缓冲区为空或缓冲区尾部微片类型为尾微片。

2.根据权利要求1所述的无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点，其特征是，所述流量数据是按如下方式进行统计：

片上路由器统计在第t个周期内在自身子网络中注入或消耗的潜在无线数据包的数量，并用4bit表示；所述潜在无线数据包是指数据包的源节点和目的节点不在同一子网中，且节点间距离大于跳数阈值。

3.一种无线片上网络中流量自适应的可重构无线节点的重构方法，是应用于由一个无线节点和若干个片上路由器构成的无线片上网络单个子网中，其特征是，所述重构方法是按如下步骤进行的：

步骤1、定义当前周期数为t，并初始化t＝1；且第t个周期内包含N×T个子周期；N表示子周期的数量，T表示子周期的时长；

令所述无线节点中的N个OUT_old寄存器和N个OUT_new寄存器均存储有初始第t-1个周期的路由器编号；

步骤2、在第t个周期内，单个子网内的所有片上路由器统计自身在本地子网络中注入或消耗的潜在无线数据包的数量并作为自身的流量数据；

若当前子周期数是T的倍数，则进入步骤3；

若当前子周期数是T-1的倍数，则进入步骤4；

步骤3、所有片上路由器将自己的统计信息清0，随后进入步骤1；

步骤4、片上路由器将自身所统计的流量数据发送给其所属的子网的无线节点，所述无线节点收所有片上路由器统计的流量数据后，选取最大的N个流量数据所对应的片上路由器编号依次赋值给N个MAX寄存器；

步骤5、定义变量i并初始化i＝1；

步骤6、将第i个MAX_i寄存器的数据分别与N个OUT_old寄存器中存储的第t-1个周期的数据一一进行比较，若找到相同的数据，则保留OUT_old寄存器和OUT_new寄存器中相应位置的数据，否则，将第i个MAX寄存器的数据存储到第i个OUT_new_i寄存器中；

步骤7、将i+1赋值给i后，返回步骤6执行，直到i＝N为止；

步骤8、初始化i＝1；

步骤9、第i个Available_i寄存器判断是否满足重构条件，若满足，则将第i个OUT_new_i寄存器的数据赋值第i个OUT_old寄存器，从而选通第i个OUT_old_i的寄存器中存储的编号所对应的片上路由器作为无线节点直连的路由器，以实现无线节点的重构；否则，不改变i个多路复用器的选通状态，并将i+1赋值给i后，返回步骤9执行，直到i＝N为止，其中，所述重构条件为第i个发送缓冲区为空或缓冲区头部微片类型为头微片，且第i个接收缓冲区为空或缓冲区尾部微片类型为尾微片。

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