專利名稱：一種基于通道依賴關(guān)系圖的片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可靠性計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于通道依賴關(guān)系圖的片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)路由方法。
背景技術(shù)：
隨著芯片集成度的不斷提高以及日益增長(zhǎng)的對(duì)復(fù)雜計(jì)算的需求，計(jì)算系統(tǒng)逐漸由單核向多核(multi-core)發(fā)展。為了解決多核通訊的復(fù)雜問(wèn)題，片上網(wǎng)絡(luò)(Network-on-Chip簡(jiǎn)稱NoC)提供了一種高性能，高擴(kuò)展性以及高靠性的解決方法，成為多核系統(tǒng)的核心技術(shù)。先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝的采用以及單芯片上集成晶體管數(shù)目的激增，使得系統(tǒng)出現(xiàn) 故障的幾率大大增加，因此系統(tǒng)的可靠性變得越來(lái)越重要，即故障存在的情況下，如何保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行及通信成為片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。晶體管缺陷是造成系統(tǒng)故障的主要原因，其成因主要有兩種一、隨機(jī)摻雜波動(dòng)、短波長(zhǎng)光刻技術(shù)等制造工藝導(dǎo)致的永久性缺陷；二、高能帶電粒子轟擊造成單粒子翻轉(zhuǎn)，電壓和溫度的變化，串?dāng)_以及電磁干擾導(dǎo)致的瞬態(tài)故障。傳統(tǒng)的出廠測(cè)試無(wú)法有效檢測(cè)組件由于老化造成的缺陷和系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的瞬態(tài)故障。片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性可以通過(guò)采用硬件冗余設(shè)計(jì)，再次傳輸策略以及容錯(cuò)路由方法在多核通信傳輸時(shí)，避免故障區(qū)域的影響，從而避免通信傳輸過(guò)程中信息的無(wú)法到達(dá)和內(nèi)容的遺失。其中容錯(cuò)路由算法由于硬件開銷少及可重配置的特性獲受到廣泛的關(guān)注和研究。片上網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)包括兩個(gè)步驟故障檢測(cè)和容錯(cuò)(故障遏制)。專用的內(nèi)建測(cè)試機(jī)制通過(guò)向臨近節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)試信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間檢測(cè)臨近的節(jié)點(diǎn)是否接收到檢測(cè)信號(hào)來(lái)標(biāo)定是否存在故障。片上網(wǎng)絡(luò)的故障類型包括路由器故障和鏈路故障。故障的存在給多核片上網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)帶來(lái)很多挑戰(zhàn)一是，如何提高系統(tǒng)資源利用率。已有的故障診斷方法將路由器標(biāo)定為兩種狀態(tài)——完全正常工作狀態(tài)和完全失效狀態(tài)。該診斷方法將部分故障的路由器標(biāo)定為完全失效狀態(tài)，無(wú)法充分利用部分故障路由器中沒有故障的組件；二是，如何避免死鎖。故障分布的不可預(yù)知導(dǎo)致片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得不規(guī)則不對(duì)稱，使得通信環(huán)路難以檢測(cè)，容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象；三是，如何均衡通道負(fù)載。已有的容錯(cuò)路由方法常常忽略通道負(fù)載平衡，將會(huì)造成片上互聯(lián)系統(tǒng)提前飽和，甚至致使過(guò)負(fù)載部分局域溫度過(guò)熱形成熱點(diǎn)，導(dǎo)致可靠性問(wèn)題的進(jìn)一步惡化。標(biāo)準(zhǔn)虛擬通道(virtual-channel,簡(jiǎn)稱VC)路由器微體系結(jié)構(gòu)每個(gè)輸入端口均連接一定數(shù)目的緩存器(buffer)，對(duì)應(yīng)的物理鏈路由不同緩存器通過(guò)時(shí)分復(fù)用完成各自的數(shù)據(jù)通訊，在功能上各通道相互獨(dú)立，我們稱為虛擬通道。VC的數(shù)目和存儲(chǔ)深度由實(shí)際情況決定。buffer用來(lái)存儲(chǔ)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；路由計(jì)算單元確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)南掠喂?jié)點(diǎn)；VC分配單元決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)南掠喂?jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的虛擬通道。最后，開關(guān)分配器(switch allocator)決定數(shù)據(jù)包通過(guò)crossbar的順序。已有的故障診斷方法將路由器標(biāo)定為兩種狀態(tài)——完全正常工作和完全失效。將部分故障的路由器標(biāo)定為完全失效狀態(tài)，無(wú)法充分利用部分故障路由器中無(wú)故障組件，致使資源無(wú)法充分利用。假設(shè)第一個(gè)輸入端口對(duì)應(yīng)的第二個(gè)虛擬通道發(fā)生故障，同時(shí)crossbar中由東向北的鏈路發(fā)生故障，路由器其他部分仍可正常工作。簡(jiǎn)單標(biāo)定該路由器完全失效，無(wú)法充分發(fā)揮部分故障路由器中未故障組件的作用，會(huì)造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于通道依賴關(guān)系圖的片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)路由方法，該容錯(cuò)方法不需要增加額外的硬件開銷，能夠充分利用無(wú)故障的組件，提高系統(tǒng)資源的利用率，并有效解決NoC死鎖問(wèn)題，分析各通道帶寬使用及數(shù)據(jù)流的傳輸需求，通過(guò)靜態(tài)的分配資源達(dá)到通道負(fù)載均衡分配，最終實(shí)現(xiàn)高帶寬，低延時(shí)的傳輸。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種基于通道依賴關(guān)系圖的片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)路由方法，包括以下步驟步驟一、首先對(duì)應(yīng)用程序模塊的通信特性進(jìn)行分析，分析應(yīng)用程序模塊是否存在通信要求，根據(jù)應(yīng)用程序模塊之間是否存在通信要求生成二分圖，二分圖中的應(yīng)用程序模塊分別列于源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)兩側(cè)，實(shí)線表示對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序模塊間有通信需求；并生成相應(yīng)的應(yīng)用程序模塊通信關(guān)系矩陣application traffic matrix,簡(jiǎn)稱ATM, ATM由對(duì)應(yīng)的通信關(guān)系二分圖生成，ATM中元素I表示橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的兩應(yīng)用程序模塊之間存在通信需求，元素0表示應(yīng)用程序模塊之間不存在通信需求；步驟二、將無(wú)故障的片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成無(wú)故障情況下的通道依賴關(guān)系有向圖channel dependency directed graph,簡(jiǎn)稱⑶G ;考慮故障模型及故障分布情況,通過(guò)粗、細(xì)粒度故障檢測(cè)，根據(jù)不同粒度分析模式去除發(fā)生故障的鏈路，生成故障存在情況下的通道依賴關(guān)系有向圖 faulty mesh channel dependency directed graph,簡(jiǎn)稱 FCDG ;將F⑶G拓?fù)鋱D中構(gòu)成通道環(huán)路的路徑去除，生成對(duì)應(yīng)的無(wú)環(huán)通道依賴關(guān)系有向圖acyclicfault channel dependency directed graph,簡(jiǎn)稱 AFCDG ;根據(jù) AFCDG 生成片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流連通性矩陣flow consistency matrix,簡(jiǎn)稱FCM, FCM包含無(wú)環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所有的連接信息，與特定的應(yīng)用程序的通信要求無(wú)關(guān)；步驟三、對(duì)ATM和FCM進(jìn)行矩陣分析，選擇可連通的ATODG :首先選擇單VC情況下尋找滿足通信要求的FCM，即對(duì)于ATM矩陣中任意非零元素凡,」，當(dāng)FCM矩陣對(duì)應(yīng)元素亦非零時(shí)，此時(shí)FCM矩陣對(duì)應(yīng)的單VC ATODG滿足通信要求，基于單VC的ATODG容錯(cuò)路由方法無(wú)法滿足應(yīng)用通信要求，需要采用多個(gè)VC并對(duì)順序進(jìn)行設(shè)置，每個(gè)VC組合采用轉(zhuǎn)向模型，2VC情況下對(duì)于ATM矩陣中任意非零元素Ti, j, FCM矩陣組合滿足FCM°中< == I，F(xiàn)CM1由aln ] == I，F(xiàn)CM0為VCO對(duì)應(yīng)的AFCDG，F(xiàn)CM1為VCl對(duì)應(yīng)的AFCDG，VCO和VCl采用轉(zhuǎn)向模型可以進(jìn)行選擇，數(shù)據(jù)傳輸可以經(jīng)由中間節(jié)點(diǎn)n從源節(jié)點(diǎn)i傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)n，滿足通信要求，VC > 2解決方案相同；步驟四、通過(guò)比較通道利用率和最小、最大通道負(fù)載，獲得最佳的負(fù)載均衡路線，具體為I、對(duì)于數(shù)據(jù)流i，它的源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別為Si和01，在ATODG圖上增加虛擬頂點(diǎn)Si和Di,將虛擬頂點(diǎn)通過(guò)增加路徑與ATODG圖連接起來(lái)，即增加Si指向(Si，X)的路徑，和(X，Di)指向Di的路徑，這里(Si，X)為ATODG中所有由節(jié)點(diǎn)Si指向節(jié)點(diǎn)x的物理鏈路，(x，Di)為ATODG中所有由節(jié)點(diǎn)X指向節(jié)點(diǎn)Di的物理鏈路；2、每個(gè)鏈路具有初始權(quán)重值W = 1，當(dāng)有數(shù)據(jù)流i流過(guò)該鏈路時(shí)，該鏈路的權(quán)重將進(jìn)行更新，W'為更新后權(quán)重，具體采用的權(quán)重計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于通道依賴關(guān)系圖的片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)路由方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、首先對(duì)應(yīng)用程序模塊的通信特性進(jìn)行分析，分析應(yīng)用程序模塊是否存在通信要求，根據(jù)應(yīng)用程序模塊之間是否存在通信要求生成二分圖，二分圖中的應(yīng)用程序模塊分別列于源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)兩側(cè)，實(shí)線表示對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序模塊間有通信需求；并生成相應(yīng)的應(yīng)用程序模塊通信關(guān)系矩陣ATM，ATM由對(duì)應(yīng)的通信關(guān)系二分圖生成，ATM中元素I表示橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的兩應(yīng)用程序模塊之間存在通信需求，元素O表示應(yīng)用程序模塊之間不存在通信需求； 步驟二、步驟二、將無(wú)故障的片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成無(wú)故障情況下的通道依賴關(guān)系有向圖CDG ;考慮故障模型及故障分布情況，通過(guò)粗、細(xì)粒度故障檢測(cè)，根據(jù)不同粒度分析模式去除發(fā)生故障的鏈路，生成故障存在情況下的通道依賴關(guān)系有向圖F⑶G ;將F⑶G拓?fù)鋱D中構(gòu)成通道環(huán)路的路徑去除，生成對(duì)應(yīng)的無(wú)環(huán)通道依賴關(guān)系有向圖ATCDG ;根據(jù)ATODG生成片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流連通性矩陣FCM，F(xiàn)CM包含無(wú)環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所有的連接信息，與特定的應(yīng)用程序的通信要求無(wú)關(guān)； 步驟三、對(duì)ATM和FCM進(jìn)行矩陣分析，選擇可連通的ATODG :首先選擇單VC情況下尋找滿足通信要求的FCM，即對(duì)于ATM矩陣中任意非零元素Tm，當(dāng)FCM矩陣對(duì)應(yīng)元素亦非零時(shí)，此時(shí)FCM矩陣對(duì)應(yīng)的單VC ATODG滿足通信要求，基于單VC的ATODG容錯(cuò)路由方法無(wú)法滿足應(yīng)用通信要求，需要采用多個(gè)VC并對(duì)順序進(jìn)行設(shè)置，每個(gè)VC組合采用轉(zhuǎn)向模型，2VC情況下對(duì)于ATM矩陣中任意非零元素Ti,」，F(xiàn)CM矩陣組合滿足FCM°中== I，F(xiàn)CM1中al == I，F(xiàn)CM0為VCO對(duì)應(yīng)的ATODG，F(xiàn)CM1為VCl對(duì)應(yīng)的ATODG，VCO和VCl采用轉(zhuǎn)向模型可以進(jìn)行選擇，數(shù)據(jù)傳輸可以經(jīng)由中間節(jié)點(diǎn)n從源節(jié)點(diǎn)i傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)n，滿足通信要求，VC > 2解決方案相同； 步驟四、通過(guò)比較通道利用率和最小、最大通道負(fù)載，獲得最佳的負(fù)載均衡路線，具體為1、對(duì)于數(shù)據(jù)流i，它的源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別為Si和Di,在AFCDG圖上增加虛擬頂點(diǎn)Si和Di,將虛擬頂點(diǎn)通過(guò)增加路徑與AFCDG圖連接起來(lái)，即增WSi指向(SyX)的路徑，和(X，Di)指向Di的路徑，這里(Si, X)為ATODG中所有由節(jié)點(diǎn)Si指向節(jié)點(diǎn)X的物理鏈路，(x，Di)為AFCDG中所有由節(jié)點(diǎn)X指向節(jié)點(diǎn)Di的物理鏈路；2、每個(gè)鏈路具有初始權(quán)重值W = 1，當(dāng)有數(shù)據(jù)流i流過(guò)該鏈路時(shí)，該鏈路的權(quán)重將進(jìn)行更新，r為更新后權(quán)重，具體采用的權(quán)重計(jì)算公式如下 ~y~d~ c>^>d- C OOC^d1 其中C表示鏈路的帶寬，Cli表示通過(guò)該鏈路的數(shù)據(jù)流i所占用的的帶寬；3、Dijktra的權(quán)重最短路徑算法為每條數(shù)據(jù)流選擇“最大可用帶寬”的路徑。數(shù)據(jù)流分配按照由高到低的帶寬需求依次進(jìn)行分配，最小權(quán)重路徑采用Dijktra算法計(jì)算獲得；4、確定該數(shù)據(jù)流的路徑之后將虛擬頂點(diǎn)Si和Di以及增加的路徑從AFCDG刪除，再用同樣的方法對(duì)其他數(shù)據(jù)流依次進(jìn)行分析，通過(guò)這種方式數(shù)據(jù)的傳輸總是選擇最高可用帶寬的路徑為主選項(xiàng)進(jìn)行傳輸，這樣數(shù)據(jù)傳輸路徑分配方法中不會(huì)發(fā)生局部路徑過(guò)負(fù)載，而其余路徑閑置或低負(fù)載的情況，使通道負(fù)載相對(duì)平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟二中FCDG拓?fù)鋱D生成過(guò)程根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障分布情況，在CDG拓?fù)鋱D中去除發(fā)生故障的鏈路及路徑即可得到FCDG圖，根據(jù)不同粒度的檢測(cè)模型生成粗粒度及細(xì)粒度的FCDG拓?fù)鋱D；對(duì)于粗粒度情況，部分故障的節(jié)點(diǎn)3路由器被標(biāo)定為完全失效狀態(tài)。CDG拓?fù)鋱D中，與節(jié)點(diǎn)3相關(guān)的鏈路和路徑都被去除，對(duì)于細(xì)粒度情況，無(wú)故障的虛擬通道緩存器和可用的crossbar鏈路依舊處于正常工作狀態(tài)，CDG拓?fù)鋱D中，節(jié)點(diǎn)6到3的故障鏈路被去除，同時(shí)由于路由器3由北向東crossbar發(fā)生故障連接頂點(diǎn)(0，3)和(3，4)的路徑被去除，除此之外，其余部分正常工作，細(xì)粒度故障檢測(cè)模型下的F⑶G連接路徑比粗粒度模型下的F⑶G連接路徑要多，因此細(xì)粒度的故障檢測(cè)模型比粗粒度的檢測(cè)模型具有更多的路徑選擇，能更充分利用系統(tǒng)資源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟三中單VC情況下尋找滿足通信要求的FCM的方法為首先根據(jù)應(yīng)用程序的通信特性和故障分布情況分別生成相應(yīng)的應(yīng)用程序模塊通信關(guān)系矩陣ATM和20種轉(zhuǎn)向模型的ATODG以及數(shù)據(jù)流連通性矩陣FCMk(k =0...19),集合SETfqi最初包含所有的FCM，對(duì)于ATM中任意非零元素Ti,」，遍歷SETrai集合中FCMk,當(dāng)對(duì)應(yīng)元素a\0零時(shí)，F(xiàn)CMk不滿足要求，將其從SETfqi集合中去除，之后重新分析ATM中下一個(gè)非零元素；ATM中所有非零元素均被分析后，集合SETfqi包含所有滿足通信要求的FCM,若集合為空，則單VC的ATODG無(wú)法滿足通信要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，采用多個(gè)VC并對(duì)順序進(jìn)行設(shè)置的方法如下a、將各VC通道分為不同的集合，集合間具有不同的優(yōu)先級(jí)； b、每個(gè)VC集合采用不同的轉(zhuǎn)向模型，每個(gè)集合對(duì)應(yīng)生成單VC的AFCDG，保證集合中不存在180度轉(zhuǎn)向，集合內(nèi)不會(huì)有數(shù)據(jù)傳輸環(huán)路； C、當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸需要轉(zhuǎn)換VC集合時(shí)，只允許高優(yōu)先權(quán)的VC向低優(yōu)先權(quán)的VC進(jìn)行傳輸，不同的集合的AFCDG圖通過(guò)增加邊界進(jìn)行連通，連通時(shí)，只允許高優(yōu)先權(quán)向低優(yōu)先權(quán)跳變的路徑； d、采用相同的轉(zhuǎn)向模型，同時(shí)具有相鄰優(yōu)先權(quán)的集合能夠使用0度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向模型都允許的轉(zhuǎn)向，彼此傳輸數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟四的具體方法為采用權(quán)重分析通道帶寬使用情況，對(duì)于數(shù)據(jù)流i，它的源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別為Si和Di圖上增加虛擬頂點(diǎn)Si和Di,將虛擬頂點(diǎn)通過(guò)增加路徑與ATODG圖連接起來(lái)，即增加Si指向(SyX)的路徑，和(x，Di)指向Di的路徑，這里(Si, X)為AFCDG中所有由節(jié)點(diǎn)Si指向節(jié)點(diǎn)x的物理鏈路，(x，Di)為AFCDG中所有由節(jié)點(diǎn)X指向節(jié)點(diǎn)Di的物理鏈路，假設(shè)由0節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)8傳輸數(shù)據(jù)，如附圖
7 (e)所示，對(duì)于2VC的AFCDG圖增加虛擬源頂點(diǎn)0和虛擬目標(biāo)頂點(diǎn)8，增加虛擬頂點(diǎn)0指向ATODG圖中所有(0,3)和(0,1)的路徑，增加AFCDG中所有(7,8)和(5，8)指向虛擬頂點(diǎn)8的路徑，新增路徑用虛線表示；每個(gè)鏈路具有初始權(quán)重值W = 1，當(dāng)有數(shù)據(jù)流i流過(guò)該鏈路時(shí)，該鏈路的權(quán)重將進(jìn)行更新，r為更新后權(quán)重，具體采用的權(quán)重計(jì)算公式如下
全文摘要
一種基于通道依賴關(guān)系圖的片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)路由方法，首先，對(duì)應(yīng)用程序的通信特性進(jìn)行分析，建立應(yīng)用程序模塊的通信關(guān)系二分圖，生成通信關(guān)系矩陣ATM，同時(shí)，生成無(wú)故障情況下的通道依賴關(guān)系有向圖CDG，通過(guò)粗、細(xì)粒度故障檢測(cè)，生成故障情況下的通道依賴關(guān)系有向圖FCDG，應(yīng)用轉(zhuǎn)向模型最終生成對(duì)應(yīng)的無(wú)環(huán)通道依賴關(guān)系有向圖AFCDG及相應(yīng)的數(shù)據(jù)流通信矩陣FCM，其次對(duì)ATM和FCM進(jìn)行矩陣分析，選擇可連通的單VC或多VC的AFCDG并對(duì)VC順序進(jìn)行設(shè)置，最后通過(guò)比較獲得最佳的負(fù)載均衡路由方案，該方法通過(guò)粗，細(xì)粒度的故障檢測(cè)方法最大限度地利用可用資源，構(gòu)造基于單VC或多VC的帶權(quán)重?zé)o環(huán)通道依賴關(guān)系有向圖AFCDG實(shí)現(xiàn)避免死鎖及負(fù)載均衡的目的。
文檔編號(hào)H04L12/24GK102761475SQ20121008305
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者任鵬舉, 劉卜, 孟慶欣, 楊挺, 王全響, 葛晨陽(yáng), 鄭南寧 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)