CN114756494A - 多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口,所述转换接口结构是基于主流NI结构衍生而来,主要由协议控制器和事件控制器构成,结构清晰简洁,实现性高,且接口各部件之间相互独立,依赖性低。协议控制器Shell、Buffer和Kernel三部分构成。事件控制器负责对通过接口的事件进行管理,由发送缓冲区、接收缓冲区和事件队列组成。所提出的一种面向片上包传输协议和标准通信协议的统一接口结构,可解决协议转换、数据包生成和解析(打包和解包)以及数据的跨时钟域传输等问题,为片上网络和裸芯提供了可靠的通信路径和方法。
Description
技术领域
本发明涉及裸芯与片上包传输协议的通信技术,尤其是指一种多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口。
背景技术
在单片专用集成电路中,所有组件都是在一个硅片上用同一种工艺设计和制造的。随着工艺尺寸的缩小,开发单片专用集成电路的成本和开发周期变得极高。在此情况下,多裸芯集成是未来开发高性能芯片的必然选择,即将多个功能各异且已通过验证、未被封装的芯片组件互连组装起来,并封装为同一管壳中的芯片整体,从而形成封装级网络NoP(Network on Package),进而构建集成微系统。这些芯片组件被称为芯粒或裸芯(Chiplet),其可以采用不同工艺、来自不同厂商,因此极大缩短和降低了开发周期和难度。而多裸芯集成的难点在于如何高效互连各个芯粒,并保证在功耗约束下实现较高的微系统性能。
随着信息时代的到来,芯片计算和处理能力的市场需求大幅上升,各大厂商通过增加芯片中的处理器和各种功能单元(下文统一称为芯粒)的数量来提升芯片的计算和处理能力,从而导致单一芯片中芯粒的数量飞速增长。芯粒数量的大量增长使得传统总线式互连架构无法满足各芯粒间的高速通信任务,在这种情况下,片上网络NoC(Network onChip)应运而生。其脱胎于计算机网络,由一个个路由器构成,芯粒通过挂载于路由器与其他芯粒进行通信,具有传输带宽高、拓扑灵活多变以及扩展性强等特点。目前,NoC理论已经得到充分研究和长足发展,随着系统级芯片的出现,片上和片间一体化网络的概念已经被提出并且在逐渐进行优化。
通过NoC构建高速通信互连架构的关键在于提供面向多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口,在NoC理论中,称其为网络接口NI(Network Interface)。芯粒因为功能以及制造厂商的不同,往往具有各种各样的通信接口协议,目前主流的标准通信协议有AXI(Advanced eXtensible Interface)、PCIe(Peripheral ComponentInterconnect express)、Rapid IO以及DDR(Double Data Rate)等。而NoC是基于包传输协议的通信机制,因此NI的主要任务是完成片上包传输协议和标准通信协议之间的转换。另外目前片上系统SoC(System on Chip)一般采用全局异步局部同步的时钟布局,因而NI还需负责处理数据的跨时钟域传输。
发明内容
随着芯片规模的逐渐扩大,传统总线式互连架构逐渐不能满足设计需求,从而被新兴的NoC代替。但NoC基于包传输的通信协议与目前主流的通信协议不兼容,需要针对不同功能单元设计专有的转换接口,以保证SoC中各裸芯间的高速通信。
为解决上述技术问题,本发明的一种多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口,其中面向多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口结构包括协议控制器和事件控制器,包括如下步骤:所述协议控制器由Shell、Buffer和Kernel组成,其中Shell是本地协议控制器,在状态机的控制下以对应的标准通信协议进行数据的收发控制以及进行数据的合并和拆分,不同的设备NI具有不同的结构和功能;Buffer是数据缓冲区,连接Shell和Kernel,其由异步FIFO构成,能够处理数据的跨时钟域传输,进行异步时钟域的同步处理;Kernel是协议控制器的核心,在微片控制器的协调下进行数据包的打包和解包,其中打包即是给Buffer中的数据负载添加头尾微片和微片格式;其中解包与打包相反,是从数据包中丢掉头尾微片和微片格式,进而提取必需的控制信息和数据负载;
事件控制器由两个缓冲区和事件队列构成,其中缓冲区主要进行请求或响应数据包的暂存。
在本发明的一个实施例中,面向多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口的功能特性在不同设备NI中由不同的表现形式,在主设备NI中:
步骤S1:设备发出请求事件后,经过协议控制器的数据合并后被写入Buffer,然后经过打包形成完整的数据包;
步骤S2:之后数据包进入事件控制器,为其生成事件ID,然后打入数据包并记录在ID队列中,接着数据包进入网络,传往指定地址;
步骤S3:而当请求数据包离开事件控制器起,看门狗开始计时,在规定时间内响应无法返回时,则触发中断报告至主设备,主设备依据情况进行处理;
在设备NI中负责接收请求而发送响应:
步骤S1:当事件控制器接收到请求事件后,首先将数据包中的事件ID挂起在ID队列,然后数据包进入协议控制器进行解包,解析后的信息被从设备接收;
步骤S2:接着从设备返回响应,响应通过协议控制器被打包成数据包,然后进入事件控制器,释放对应的事件ID,并将该ID打入数据包,最终进入网络返回主设备。
对等设备由于其“虚主”和“虚从”特性,所以在对等设备的NI可以由主设备NI和从设备NI集成而来。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:本发明对转换接口设计问题提出了一种面向片上包传输协议和标准通信协议的统一接口结构,其能够解决协议转换、数据包生成和解析(打包和解包)以及数据的跨时钟域传输等问题,为NoC和Chiplet提供了可靠的通信路径和方法;除Shell外,其他模块即使在标准协议变化的情况下也不需要进行改动,大大提高了整体代码的可移植性,简化了NI设计;多裸芯互连系统NI结构在主流NI结构基础上衍生而来,结构清晰简洁,实现性高,容易验证;事件控制器通过为事件建立ID队列,记录了每一个通过NI进出网络的事件ID,同时赋予ID唯一特性,以保证请求和响应的一一对应关系,避免传输出错或者在出错的情况下具备应对能力;接口各部件之间相互独立,依赖性低,容易定位故障所在,为调试工作提供了很大便利。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明所述多裸芯互连系统NI基本结构的流程框图;
图2是本发明所述协议控制器组成部件的流程框图;
图3是本发明所述事件控制器基本结构的框图。
具体实施方式
本实施例提供一种多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口,所述接口基本结构由协议控制器和事件控制器组成。
协议控制器除负责协议转换、数据包生成和解析工作外,在全局异步局部同步的时钟布局的SoC中还负责解决数据的跨时钟域传输问题。在图1中协议控制器被抽象为打包器和解包器,但实际由Shell、Buffer和Kernel三部分构成,如图2所示。
而进一步地,Shell可以理解为NI的外壳,是一个本地总线协议控制器,按照对应功能单元所采用的总线协议进行数据的收发控制,负责发送缓冲区的数据写入和接收缓冲区的数据读取。Shell的设计依据功能单元所采取的通信协议进行设计,不同的Shell具备不同的结构和功能,在本发明中可根据主设备、从设备和对等设备分为三种,分别用于充当主从式协议的Slave、Master以及对等协议的Initiator和Target。Shell的核心功能由状态机控制实现,该状态机根据标准通信协议的传输时序建立不同状态,然后在不同状态提取需要的信息用于组成数据包,例如在地址周期获取地址信息,在数据周期抓取数据。面对主设备担任主从式协议接口的Slave端时,Shell将接受自主设备的控制信号和数据信息以特定的格式进行合并,并标以请求事件类型,然后写入发送缓冲区;同时还具备读取接收缓冲区的响应事件并进行信息拆分,最后送入主设备的能力。从设备NI中的Shell则和主设备NI相反,接收请求而发送响应,其他功能和主设备NI一致。而对等设备NI中的Shell则同时具备主从设备NI的Shell功能,以保证其“对等特性”。
数据缓冲区Buffer连接Shell和Kernel,分为接收缓冲区和发送缓冲区。为了实现全局异步局部同步的时钟机制,Buffer选择由异步FIFO构成,用来解决数据传输的跨时钟域问题。当NoC和功能单元处在不同时钟域时,仍然可以保证数据的可靠传输。
Kernel则是整个接口的核心,分为打包器(Packetizer)和解包器(Unpacketizer),打包器从发送缓冲区读取数据,然后按照NoC传输协议的特定数据格式生成数据包;解包器将来自网络的数据包按照本地总线协议的格式进行解析,然后写入接收缓冲区。数据包一般是由若干个体微片构成的,在本设计中,一个完整的数据包包括一个头微片、若干体微片和一个尾微片,其中头微片储存必要的控制和路由信息,体微片用于承载数据负载,尾微片标志着数据包的结尾。所谓打包即是给已经具有数据包雏形的数据负载添加头尾微片以及微片格式(用于标记微片类型),解包则是将完整的数据包去掉微片格式和头尾微片,从中提取必要的控制信息和数据负载。上述过程由微片控制器全程控制,所谓微片控制器是一个状态机,其有三个状态分别对应处理头、体、尾微片。
如图1所示,事件控制器由两个缓冲区和事件队列构成,其中缓冲区主要进行请求或响应数据包的暂存。
其中事件队列又可分为看门狗(Watch Dog)、ID队列(ID Queue)和ID生成器(IDGenerator),如图3所示。所谓ID是事件的标记符,在网络传输中具有唯一性,这保证了请求和响应之间的唯一匹配关系,避免了数据包的错误接收。
当数据包进入缓冲区时,事件控制器首先判断事件类型,根据事件类型进行事件ID的生成、挂起或释放。一般情况下请求事件通过事件控制器时需要进行ID的生成或挂起,当设备发出请求事件时,需要先进行ID的生成然后挂起该ID,确保在对应的响应事件返回之前不会被再次使用;接收请求事件时,则只需要进行ID的挂起。而响应事件无论是被发出还是被接收均只需要进行ID释放即可。由上述特性可知,从设备NI是不具备ID生成器的,仅靠ID队列就可完成工作。除此之外,在主设备NI中,还有看门狗模块,其负责进行超时报警,当NI发出的请求事件在规定事件内未被响应时,则触发看门狗中断,将行为报告于处理器进行处理。该模块和功能属于主设备NI独有,从设备接口并不具备。
结合上述内容,面向多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口的功能特性在不同设备NI中由不同的表现形式:
在主设备NI中,主设备发出请求事件后,经过协议控制器的数据合并后被写入Buffer,然后经过打包形成完整的数据包;之后数据包进入事件控制器,在ID未被全部占用的情况下为其分配事件ID,然后打入数据包并记录在ID队列中,接着数据包进入网络,传往指定地址。除此之外,当请求数据包离开事件控制器起,看门狗开始计时,在规定时间内响应无法返回时,则触发中断报告至主设备,主设备依据情况进行处理。
从设备NI负责接收请求而发送响应。当事件控制器接收到请求事件后,首先将数据包中的事件ID挂起在ID队列,然后数据包进入协议控制器进行解包,解析后的信息被从设备接收;接着从设备返回响应,响应通过协议控制器被打包成数据包,然后进入事件控制器,释放对应的事件ID,并将该ID打入数据包,最终进入网络返回主设备。
对等设备可作为“虚主”(Initiator)或者“虚从”(Target),作为“虚主”其行为和主设备并无二致,只是采取的通信协议不同;作为“虚从”则和从设备行为一致。因此结合上述主从设备NI结构和功能,对等设备NI即是主设备NI和从设备NI的特殊结合,其同时具备后二者的功能。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (4)
1.多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口,其中面向多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口结构包括协议控制器和事件控制器,其特征在于,包括如下步骤:所述协议控制器由Shell、Buffer和Kernel组成,其中Shell是本地协议控制器,在状态机的控制下以对应的标准通信协议进行数据的收发控制以及进行数据的合并和拆分,不同的设备NI具有不同的结构和功能;Buffer是数据缓冲区,连接Shell和Kernel,其由异步FIFO构成,能够处理数据的跨时钟域传输,进行异步时钟域的同步处理;Kernel是协议控制器的核心,在微片控制器的协调下进行数据包的打包和解包,其中打包即是给Buffer中的数据负载添加头尾微片和微片格式;其中解包与打包相反,是从数据包中丢掉头尾微片和微片格式,进而提取必需的控制信息和数据负载;
事件控制器由两个缓冲区和事件队列构成,其中缓冲区主要进行请求或响应数据包的暂存。
2.根据权利要求1所述的多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口,面向多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口的功能特性在不同设备NI中由不同的表现形式,其特征在于,主设备NI中:设备发出请求事件后,经过协议控制器的数据合并后被写入Buffer,然后经过打包形成完整的数据包;数据包进入事件控制器,为其生成事件ID,然后打入数据包并记录在ID队列中,接着数据包进入网络,传往指定地址;而当请求数据包离开事件控制器起,看门狗开始计时,在规定时间内响应无法返回时,则触发中断报告至主设备,主设备依据情况进行处理。
3.根据权利要求1所述的多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口,面向多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口的功能特性在不同设备NI中由不同的表现形式,其特征在于,在设备NI中负责接收请求而发送响应:当事件控制器接收到请求事件后,首先将数据包中的事件ID挂起在ID队列,然后数据包进入协议控制器进行解包,解析后的信息被从设备接收;接着从设备返回响应,响应通过协议控制器被打包成数据包,然后进入事件控制器,释放对应的事件ID,并将该ID打入数据包,最终进入网络返回主设备。
4.根据权利要求1所述的多裸芯互连的标准通信协议与片上包传输协议的转换接口,其特征在于:对等设备由于其“虚主”和“虚从”特性,所以其NI可以由主设备NI和从设备NI集成而来。
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