片上网络路由算法的设计与性能评估

摘要

如今，人类社会已进入了高度发达的信息化时代。为了满足人们对于电子产品功能丰富性与高性能的要求，多核化成为了处理器发展的重要趋势。要实现在单颗芯片中集成数十甚至数百个处理核，需要解决多个处理核之间的通信问题。片上网络技术提供了一种高效的解决方案，业已成为学术研究的热点。片上网络的路由算法影响了片上网络几乎所有的性能指标，是NoC中一个非常重要的问题。
　　本文首先结合片上网络相比计算机网络存在的存储空间小、排队延迟影响大、路由器之间耦合紧密三大主要特点，从控制包队列、控制包产生方式、加强因子r的计算三个方面对原本应用于计算机网络中的AntNet路由算法进行了改良使其适于在NoC中实现。然后，以片上网络模拟器Noxim为基础，对改良的AntNet路由算法进行了系统级建模。此外，鉴于传统的使用合成流量进行性能评估方法精度较低，而运行实际的应用仿真速度较慢的这一实际情况，搭建了一种基于计算模型的片上网络性能评估平台，兼顾了仿真的速度与精度。本文进行了合成流量与基于计算模型的实际应用流量两类性能评估实验。在非均匀的Transposel合成流量下，对于平均延迟饱和点与吞吐率而言，AntNet路由算法相比XY路由算法提升了36.4％与31.6％，相比OE-BL路由算法提升了9.1％与7.9％。在实际应用流量下，对于负载较高的基准测试应用Ericsson Radio System与MWD，AntNet路由算法的平均延迟相比XY路由算法降低了18％与42.8％。
　　AntNet路由算法在计算机网络中得到了较为理想的性能，本文实验结果说明面向NoC改良的AntNet路由算法在片上网络中同样表现较为良好，具有一定的实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．1．1 片上互连问题

1．1．2 片上网络技术

1．1．3 片上网络路由算法

1．1．4 电子系统级设计方法

1．2 国内外研究现状

1．3 主要工作及设计指标

1．4 论文结构

第二章 NoC中的基本概念

2．1 NoC概述

2．2 交换通信架构

2．2．1 数据格式

2．2．2 路由器的基本结构

2．2．3 交换策略

2．2．4 虚通道

2．3 片上网络拓扑

2．4 NoC路由算法

2．4．1 死锁与活锁

2．4．2 确定性路由vs自适应路由

2．4．3 路由算法的路由函数

2．4．4 路由算法的选择函数

2．5 AntNet路由算法简介

2．6 在NoC中实现AntNet路由算法存在的问题

2．7 NoC性能评估指标

2．7．1 吞吐率

2．7．2 平均延迟

2．8 本章小结

第三章 适用于NoC的AntNet自适应路由算法设计

3．1 基于蚁群优化的AntNet路由算法

3．2 适用于NoC的AntNet路由算法

3．2．1 学习自动机理论

3．2．2 改良的AntNet算法

3．3 本章小结

第四章 系统级建模与性能评估

4．1 NoC的系统级模型

4．1．1 Noxim路由器模型概述

4．1．2 链路级流控制协议

4．1．3 Noxim路由器模型详细工作流程

4．2 适用于NoC的AntNet算法系统级建模

4．2．1 支持AntNet路由算法的路由器微架构

4．2．2 数据包路由

4．2．3 前进蚂蚁包产生单元

4．2．4 蚂蚁包路由

4．3 基于合成流量的NoC性能评估

4．3．1 合成流量的空间分布

4．3．2 合成流量的时间分布

4．4 基于计算模型的NoC性能评估

4．4．1 SCTG简介

4．4．2 基准测试集

4．4．3 基于计算模型性能评估平台的搭建

4．5 本章小结

第五章 系统仿真及结果分析

5．1 AntNet路由算法功能验证

5．2 路由算法性能评估

5．2．1 合成流量仿真

5．2．2 实际应用流量仿真

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文