一种基于位置概率分布的NoC目录协议能耗模型

摘要

本发明在研究MPSoC芯片中NoC目录协议能耗模型的基础上，对Cache一致性常用目录协议进行深入分析，提出一种基于位置概率分布的目录协议能耗模型。考虑目录信息与数据块节点位置分布的无关性，定位数据块在NoC中的节点位置，计算任意节点间数据传输的概率矩阵，并结合路由单元能耗、连线能耗以及网络拓扑结构，可准确获得目录协议中一次数据块传输的能耗。实验表明，本发明提出的模型在发包概率稳定的Mesh（网孔）网络中可有效计算出不同类型目录协议产生的能耗，且精度较高（误差小于2%）。

说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及MPSoC芯片能耗领域，尤其是涉及一种NoC目录协议能耗模型——基于位置概率分布的NoC目录协议能耗模型。

背景技术

目前处理器的发展趋势倾向于采用多核集成的策略，随着芯片的集成度越来越高，设计复杂性不断上升，对计算机系统的能耗也带来严重挑战。因此，在MPSoC（Multi-Processor SoC多核SoC）芯片设计中，能耗问题始终是一个关键因素。

在MPSoC中，核间通信主要包括总线监听、交叉开关和NoC（Network on Chip片上网络）三种方式。其中，总线监听一般适用于规模较小的多核网络，如ARM Cotex-A9处理器中采用侦听控制单元（Snoop Control Unit）控制多核在AMBA总线上的通信；使用交叉开关的典型例子是AMD Athlon64 X2处理器，利用交叉互联网络和系统请求接口对各个CPU核的请求进行仲裁。由于上述两种通信方式都不适合高端的多核和众核互联，所以包交换网络互连的思想被引入到MPSoC核间通信设计中，NoC将成为未来MPSoC的主流通信方式。目前NoC的能耗一般占芯片总能耗的50%以上，其中静态能耗主要由器件的漏电电流造成，动态能耗由器件的0/1翻转和短路电流造成。由于NoC的动态能耗主要由协议活动产生，因此，开展NoC协议能耗问题的分析与建模是十分必要的。

本发明从现有NoC协议出发，在研究现有NoC应用层协议基础上，针对协议能耗提出一种新的模型——基于位置概率分布的NoC目录协议能耗模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于位置概率分布的NoC目录协议能耗模型。

本发明解决其技术难题所采用的技术方案的步骤如下：

1）计算传输过程中的概率分布方阵T

将NoC中的PE（Processing Element处理单元）对内存的块请求视为随机事件，用q_i,j表示PE_i的L2 Cache对内存中第j个区域中数据块请求的概率（或速率），矩阵Q表示整个NoC中各节点对Cache块的请求概率，其中对角元素q_i,j不为0：

                                                    

一个请求信息到达目录项所在的节点后，通过查询数据块的目录项可获得该块目前所在节点位置，可用矩阵P表示响应过程的概率分布，元素P_j,k表示在节点j的目录项查询某一个数据块时，该块在节点k的L2 Cache中的概率，响应过程的概率分布矩阵与请求过程类似。

经过查询，某一个数据块在节点k的L2 Cache中存在一个副本，那么节点k将此块发送给需要它的源节点i，该传输过程的概率分布用方阵T表示为：

                                             

即节点k向节点i发送数据块的概率，等于节点i向所有节点发送请求查询概率和任何节点查询到某一个块在节点k中概率的乘积。

2）计算单个Flit在NoC中传输的平均能耗

单个Flit（Flow Control Unit数据微片）在连线上一次传出能耗E_line可表示为下列向量形式：

                                   

其中，d是一个数据传输块中含有Flit的数量，V^f是n条并行连线在数据一次变化后的电平向量，（V^f）^T是其转置向量，Vⁱ是n条并行连线在数据一次变化前的电平向量，C^t是n*n的连线间电容对称矩阵，其中对角线上元素是对应位置连线到地的电容，其它位置元素是连线间的电容。

一个Flit通过一个路由单元所产生的能耗E_router可表示为：

    

其中，E_VC为数据包在VC队列中等待的能耗，E_SA和E_Crossbar分别为路由仲裁器分配交叉连接的能耗和Flit通过Crossbar的能耗，E_VC又可分为VC缓冲器能耗E_buffer和VC分配电路（VC Allocator）能耗E_VCA。

在c×c的Mesh网络中，一个Flit从节点i产生，目的节点为j，则该Flit经过的总跳数，进一步地，用e_i,j表示一个Flit从节点i到j传输的能耗，则根据公式有：

其中，e_i,j包含了硬件电路、网络拓扑结构和网络层协议的所有能耗信息，不仅是单个Flit对硬件资源利用程度的函数，而且是源和目的节点之间传输跳数的函数。

3）计算一次取数据块的过程平均能耗

整个网络任意结点间一次数据块传输产生的能耗为：

其中，d是一个数据块中含有Flit的数量。

因此，一次取数据块的过程平均能耗是任意两个节点之间传输数据能耗的期望，可表示为：

以上通过对目录协议请求数据块的过程进行分析，得到在NoC中数据传输的能耗模型。

附图说明

图1  三种情况下包平均路由次数    

图2  4x4类型的包平均能耗

图3  3x3类型的包平均能耗      

图4  2x2类型的包平均能耗。

具体实施方式

实验在NS-2平台上进行，对目录协议能耗模型在不同网络发包概率的情况下进行比较和分析。相关参数设置如下：

（1）NoC参数。在NS-2中建立了一个4x4的Mesh网络，相邻路由节点之间的链路传输速率为10Mbps，每个数据包的大小设为512Bytes，与一个数据块的大小相适应。在源节点上，一个512Bytes的数据块被分割成4个大小相同的Flit。传送路径上的每个路由节点都只为第一个Flit做一次路由处理，其实质是在输入/输出端口间分配一个软连接，后继Flit通过此连接直接发送到输出端口。

（2）发包参数。为了实现不同负载环境下的NoC发包情况，为NoC中的每一个PE设置一个“发包向量”数据结构以控制目的地址范围，从而控制发包概率矩阵T。PE发包的过程分为两个相互独立的阶段：发包持续时间（Bursting Time）和空闲持续时间（Idling Time）。设定任意两个PE之间的发包持续时间期望值和空闲持续时间期望值，以控制节点的发包概率。如果将一个轮转周期的期望设为1s，发包持续时间的期望E(BT)和空闲持续时间的期望E(IT)满足E(BT)+E(IT)=1s，节点发包概率由E(BT)/[E(BT)+E(IT)]=E(BT)决定。

在4x4 Mesh中三种不同发包类型情况下60秒的发包情况：

（1）4x4：在4x4 Mesh网络中随机自由发包，即T中元素；

（2）3x3：发包节点只向水平距离和垂直距离都小于3的节点随机自由发包；

（3）2x2：发包节点只向水平距离和垂直距离都小于2的节点随机自由发包。

通过统计一次实验中总路由次数和产生数据包数量，得到NoC中单个包的平均路由次数：

                                                                    

同理，采用上式也可得到包的平均链路传输次数。根据平均路由次数和平均连路传输次数，获得NS-2平台与目录协议能耗模型估算的包平均能耗数据如表1所示。

表1 包平均能耗和误差

类型NS-2平台的包平均能耗模型估算的包平均能耗平均误差最大误差4x40.956327 nJ0.958100 nJ0.185%1.767%3x30.783050 nJ0.782476 nJ0.073%0.696%2x20.512538 nJ0.513286 nJ0.146%1.35%

可以看出，NS-2平台的包平均能耗与模型估算的包平均能耗最大误差小于2%。

进一步地，可得到上述三种情况下目录协议能耗模型的包平均能耗精度与概率的变化关系（如图1~4所示）。                                          

从图1可以看出，虽然收到发包向量矩阵的影响，三种情况下包平均路由次数有所不同，但是无论发包概率如何变化，NoC中的包平均路由次数维持在理论值附近变化，从而保证了网络中数据包平均能耗是稳定的。

三种情况下当发包概率接近1时，单个包的NS-2平台平均能耗值接近于目录协议能耗模型估算的平均能耗值，并且稳定性也更高（如图2~4所示）。随着发包概率的增大，目录协议能耗模型估算的包平均能耗值精度也不断提高。