支持虚通道动态分配的片上网络路由器研究

摘要

作为一种全新的IC芯片设计体系架构，片上网络(NoC)通过借鉴计算机网络技术的思想，解决了存在于片上系统(SoC)中的扩展性差、时钟管理难、地址空间有限等问题。在不久的将来，NoC设计技术极有可能取代SoC，成为IC芯片设计的主流解决方案。路由器是NoC系统的核心部件，直接决定整个网络的性能。本文以支持虚通道动态分配的NoC路由器作为研究目标，对该类路由器架构设计基础与组成模块进行了详尽的分析与探索。并针对此类路由器通信流水线过长、通道分配仲裁多等导致的延时问题，提出了一种支持虚通道动态分配的低延时片上网络路由器架构。
　　设计将Speculation和Lookahead两种低延时策略应用到支持虚通道动态分配的NoC路由架构上，形成混合低延时路由。该路由架构主要从三个方面，实现了低延时的要求:其一，Speculation，该策略针对已经在快速虚通道(VC)分配模块完成VC分配的微片，控制交换开关分配器(SA)仲裁启动，达到虚通道分配器(VA)与SA并行执行的目的，降低了节点内数据包处理延时;其二，快速分配模块，可提前快速实现VC分配，有助于更好的实现VA与SA的并行，其通过与下一个时钟周期的快速分配请求信号进行必要的逻辑操作，实现输出端口与VC分配控制信号的快速产生;其三，Lookahead，该策略通过在上一路由提前实现部分微片进行路由计算，将带有路由计算结果的bypass微片与普通微片一起路由到本级路由，到达本级路由的bypass微片会被缓存在输入通道，无需在经过路由计算，此过程减轻了本级路由流水线第一级的路由计算的压力，降低了节点间的网络转发延时。
　　本文通过BookSim2.0模拟平台，在吞吐量与网络延时两个方面，对提出的混合低延时路由器架构进行了性能评估。并在相同的拓扑结构、路由算法、初始虚通道数目等条件下，对比了Speculation与Lookahead两种低延时策的性能效果。试验结果显示，本文提出的混合低延时路由架构，在延时、吞吐量上均优于另外两种低延时策略，证明了该架构设计方案的可行性与正确性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主要研究内容和创新点

1．4 论文结构安排

第二章 片上网络的基础研究

2．1 NoC拓扑结构

2．1．1 相关基础概念

2．1．2 拓扑结构的分类

2．2 路由算法

2．2．1 路由算法的分类

2．2．2 算法设计原则

2．3 数据交换机制

2．3．1 虫洞路由

2．3．2 虚通道

2．4 支持虚通道技术的NoC路由器

2．4．1 路由器架构

2．4．2 路由计算

2．4．3 虚通道分配器

2．4．4 交换开关分配器

2．5 本章小结

第三章 NoC虚通道动态分配策略研究

3．1 支持虚通道动态分配的NoC路由架构

3．2 虚通道数量可变控制

3．3 VA与SA仲裁

3．4 UBS和UCL

3．4．1 VC控制表

3．4．2 微片读写指针逻辑

3．4．3 VC和Slot ID跟踪器

3．4．4 VC令牌分配器

3．5 路由流水线分析

3．6 本章小节

第四章 支持虚通道动态分配的低延时NoC路由器

4．1 路由架构设计与分析

4．2 低延时控制

4．2．1 Speculation策略

4．2．2 VA与SA的并行仲裁

4．2．3 快速分配模块

4．2．4 Lookahead策略

4．3 路由流水线分析

4．4 本章小节

第五章 基于BookSim2.0的NoC仿真

5．1 相关仿真软件研究

5．2 Booksim2.0简介

5．3 BookSim2.0 NoC建模分析

5．3．1 配置文件说明

5．4 实验结果与性能分析

5．4．1 网络平均延时

5．4．2 网络吞吐量

5．5 本章小节

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢