缓存共享的容错NoC设计

摘要

片上网络(Network-on-Chip, NoC)作为一个新的设计方法被提出，它弥补了片上系统(System-on-Chip, SoC)带来的一系列问题:可扩展性差、总线通讯效率低、单一时钟同步等。NoC采用全局异步——局部同步的通讯机制，不仅有良好的可扩展性和可预测性，还提供了高带宽的并行通讯能力。
　　 随着对NoC不断深入的研究，给设计者们引入了新的机遇和挑战，例如功耗和稳定性。为了获得高性能的片上网络，大量的缓存被利用到片上网络通信中，造成了缓存冗余和功耗泄露。并且，研究发现当片上网络中缓存达到一定数目时，片上网络的性能并不是随着缓存队列数目的增加而线性增长的，反而对整个网络造成负面影响。研究表明片上网络中所有路由器的缓存队列占据了整个网络缓存的60％左右，缓存在时间和空间上利用率低，从而导致了大量的功耗泄漏，更重要的是路由器中的缓存队列不能共享严重造成了功耗浪费。因此，本文对通用路由器内部结构进行优化，设计出缓存共享的路由器。该路由器减少计算单元(Processing Element，PE)输入物理通道的缓存队列，使其与其他端口的输入物理通道的缓存队列共享，提高了缓存的利用率，降低功耗和硬件开销。
　　 基于缓存共享的路由器，本文提出了容错的路由算法。由于片上网络体系结构对路由节点的错误很敏感，一旦有链路或者路由器出现问题，核之间的通信就不能得到保证。尤其随着片上网络IP核的增加，路由器和链路故障会对整个网络造成不可想象的灾难。所以路由算法是否具有容错能力影响整个体系结构的稳定性。本文提出了一个融合缓存共享路由器的容错路由算法，该算法在PE输入物理通道分别与X维、Y维输入物理通道缓存共享的情况下，通过动态阈值来控制整个网络的拥塞，在最短路径中选择没有故障和拥塞度相对较小的路径，将数据包从源节点发送到目的节点，改善了整个网络的延迟，提高了稳定性，在一定程度上降低了功耗开销。
　　 最后，本文利用周期精确的Noxim模拟器，在三种不同的流量模式下，分别对本文的路由算法、XY路由算法和DyAD路由算法进行了性能和功耗上的评估，仿真结果发现本文的路由算法性能都优于其它两种路由算法。在随机流量模式下，针对故障节点数量的不同，实验结果显示容错路由算法相比NF路由算法和DyAD路由算法有较高的稳定性，功耗相比前两者要节省10％左右功耗开销。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

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 片上网络功耗节省与可靠性设计

1．4 本文的工作及结构安排

第2章 片上网络的相关概念

2．1 片上网络系统组成

2．2 片上网络的拓扑结构

2．2．1 直接型网络拓扑

2．2．2 间接型网络拓扑

2．3 片上网络的交换方式

2．4 片上网络路由算法

2．4．1 路由算法的分类

2．4．2 片上网络路由算法的选取原则

2．5 片上网络容错机制

2．5．1 软故障

2．5．2 硬故障

2．6 本章小结

第3章 缓存共享的路由器设计

3．1 片上网络通用路由器的体系结构

3．1．1 缓存策略

3．1．2 流控机制

3．2 片上网络的缓存利用特征分析

3．2．1 片上网络缓存利用率的时间分布特点

3．2．2 片上网络缓存利用率的空间分布特点

3．3 缓存共享的路由器设计

3．4 本章小结

第4章 基于缓存共享路由器的容错路由算法

4．1 2D Mesh结构的NoC模型

4．2 算法描述

4．2．1 算法思想

4．2．2 相关参数定义

4．2．3 算法实现流程

4．3 本章小结

第5章 基于2D Mesh架构的仿真

5．1 Noxim仿真平台

5．1．1 仿真平台简介

5．1．2 输入参数设置

5．1．3 仿真统计及性能指标介绍

5．2 仿真结果分析

5．3 本章小结

第6章 总结及展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录