專利名稱：一種適用于片上網(wǎng)絡(luò)的可配置交換機制的路由器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路的片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于片上網(wǎng)絡(luò)的可配置交換機制的路由器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著半導體工藝水平和集成電路設(shè)計技術(shù)的飛速發(fā)展，以軟硬件協(xié)同設(shè)計、IP復用和超深亞微米技術(shù)為支撐的SoC設(shè)計方法逐漸成為超大規(guī)模集成電路(VLSI)的主流設(shè)計技術(shù)。人們在一個芯片上集成一個或者更多的IP核成為現(xiàn)實。與此同時，提升單核的性能變得越來越困難，為此人們提出了多核的設(shè)計方法，采用多個低功耗的單核協(xié)同工作，以面積來換取性能的提升及功耗的降低。在未來大規(guī)模應用的一塊芯片中可能集成幾十甚至上百個IP核，IP核之間的互聯(lián)和通信變得越來越復雜，傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)已經(jīng)很難滿足芯片模塊間的通 目需求，存在著諸多的局限性。而片上網(wǎng)絡(luò)(Network-on_chip, NoC)由于優(yōu)良的并行性、可擴展性和較高的通信效率，成為多核處理器系統(tǒng)最理想的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。片上網(wǎng)絡(luò)的路由模塊負責各IP核之間的連接和通信，是片上網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、路由算法、交換機制、流控機制、仲裁算法、服務(wù)質(zhì)量、容錯性能的硬件實現(xiàn)單元，對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率、通信延時、面積、功耗等有著舉足輕重的作用。片上網(wǎng)絡(luò)中，交換機制決定著一段數(shù)據(jù)以怎樣的方式從源節(jié)點出發(fā)，通過路徑上的各交換節(jié)點最終傳輸?shù)侥康墓?jié)點的過程，交換機制直接影響著網(wǎng)絡(luò)的延時、吞吐率和能
量效率。電路交換(Circuit Switch)是一種面向連接的交換機制。它要求每次傳輸數(shù)據(jù)前都要在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立一條物理專用鏈路。一次完整的電路交換分為4個階段，首先源節(jié)點向網(wǎng)絡(luò) 中發(fā)送一個含有源地址和目的地址信息的建立包，該建立包根據(jù)路由算法邊路由邊建立路徑，最終到達目的節(jié)點。接著，目的節(jié)點向源節(jié)點返還一個應答包，表示通信路徑已經(jīng)完整建立，可以傳輸。當源節(jié)點收到此應答包后，正式的數(shù)據(jù)傳輸開始，直到發(fā)送完畢。最后，源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送一個釋放包，釋放包沿著之前建立的路徑邊路由邊釋放已占鏈路，供其他數(shù)據(jù)傳輸使用。包交換(Packet Switch)是一種無連接的交換機制,它并不要求源、目的節(jié)點在數(shù)據(jù)正式發(fā)送前建立一個類似硬連線的電路連接，而是將數(shù)據(jù)(或稱消息Message)切割成幾組(或稱數(shù)據(jù)包Packet)，每個Packet含有一定長度的微片(flit)，微片的位寬和通道寬度相同。每個數(shù)據(jù)包的第一個微片為包頭，含有源地址、目的地址、包長等信息。然后每組數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中邊路由邊前進。在通信與多媒體應用下，通過挖掘程序的任務(wù)級并行性，可將程序映射到多核處理器中。在程序工作時，核間通信的數(shù)據(jù)長度多則上百甚至上千字(Word)，少則幾個字(Word)0假設(shè)一個片上網(wǎng)絡(luò)只支持電路交換機制，則傳輸幾個字時的建鏈和拆鏈所花費的時間遠高于實際數(shù)據(jù)傳輸所用的時間，造成延時增大；若假設(shè)只支持包交換機制，在發(fā)送大量數(shù)據(jù)前會拆分成多個小的數(shù)據(jù)包，并在每個數(shù)據(jù)包前加一個含有地址信息的包頭，這樣一方面每個數(shù)據(jù)包的路由延時累加會帶來不小的延時，另一方面額外增加的包頭也會導致傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)率下降。所以，單一的交換機制不可能使片上網(wǎng)絡(luò)在面向所有情況下的數(shù)據(jù)通信達到性能最優(yōu)，在實際應用中，NoC需要能夠同時支持電路交換和包交換兩種通信的交換機制，它們具體的應用的情形如下:
包交換應用于:1)少量數(shù)據(jù)傳輸，主要用來配置模塊、傳遞參數(shù)、同步電路等；2)偶然的突發(fā)的數(shù)據(jù)流傳輸，即不需要長時間占用某一通道。電路交換應用于:1)大量數(shù)據(jù)流的傳輸；2)兩點間在某一時間段內(nèi)頻繁地間斷的數(shù)據(jù)交換，即長時間占用某一通道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于片上網(wǎng)絡(luò)的可根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的包長靈活地選擇不同交換機制(具體為電路交換(Circuit Switch)和包交換(Packet Switch)兩種交換機制)的路由器，并具有面積小、功耗低、通信效率高的優(yōu)點。基于以上發(fā)明目的，本發(fā)明提出一種可配置交換機制的路由器。在目前通常用的路由器基礎(chǔ)上增加一個數(shù)據(jù)選擇器(MUX)和一些控制信號，使得路由器的交換機制可以配置為電路交換或者包交換。具體地說，通常用的路由器一般有以下模塊組成:輸入緩沖隊列、路由計算模塊、仲裁器和交換開關(guān)，具有東、南、西、北和本地5組端口，外部輸入的數(shù)據(jù)通過輸入緩沖隊列后送給交換開關(guān)，一般只支持單一的交換機制，如圖1所示。本發(fā)明提出的可配置交換機制的路由器，是在上述通常用的路由器的數(shù)據(jù)輸入端口增加一個二選一的數(shù)據(jù)選擇器(MUX)，外部輸入的數(shù)據(jù)分兩個支路，一個支路與MUX的一個端口連接，另一個支路通過輸入緩沖隊列后與MUX的另一個端口相連，如圖2所示。本發(fā)明提出的可配置交換機制的路由器，在電路交換機制下，設(shè)置包頭中相應的配置位，將MUX的輸出通道來源切換至外部輸入的數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)不通過輸入緩沖隊列而直接輸出，同時關(guān)斷輸入緩沖隊列的時鐘，以節(jié)約功耗、降低延時。本發(fā)明提出的可配置交換機制的路由器，其電路交換的建立路徑配置包通過包交換方式路由，具有共用路由計算模塊，以減小硬件開銷。本發(fā)明提出的可配置交換機制的路由器，其在輸出仲裁方面設(shè)定電路交換請求包的仲裁優(yōu)先級聞于包交換，以減少電路交換的阻塞等待時間，提聞網(wǎng)絡(luò)吞吐量、減少延時。本發(fā)明提出的可配置交換機制的路由器，其電路交換和包交換機制共用輸出交換開關(guān)，以減小硬件開銷。本發(fā)明提出的可配置交換機制的路由器，其數(shù)據(jù)包格式如圖3所示。其中，“建立”位作為路由器的交換機制模式的配置信號?！敖粨Q機制模式”信號一路與MUX的選擇端連接，另一路與時鐘“相與”后送給輸入緩沖隊列，可作為門控時鐘，降低系統(tǒng)功耗，如圖4所
/Jn o本發(fā)明的可配置交換機制的路由器，其工作過程如下:
(1)系統(tǒng)初始工作在包交換機制下，當有數(shù)據(jù)發(fā)送時，路由計算模塊去檢測包頭的“建立，，位。當此位為高電平時，表示將交換機制的模式配置為電路交換。此時將MUX輸出選擇來自外部的數(shù)據(jù)，并且將輸入緩沖隊列的時鐘關(guān)斷；
(2)當不同端口的路由計算模塊在同一時刻向某一端口的發(fā)出輸出請求時，優(yōu)先響應電路交換建立包的申請。當電路交換建立包通過仲裁后，固定該交換通路的連接；
(3)當電路交換建立包到達目的節(jié)點時，目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送一個應答包，表示鏈路建立完成。源節(jié)點接受到應答包后開始傳輸數(shù)據(jù)，并在最后一個數(shù)據(jù)包時將“釋放”位拉高，釋放鏈路資源，結(jié)束一個電路交換傳輸數(shù)據(jù)的過程；
(4)當有數(shù)據(jù)發(fā)送時，路由計算模塊去檢測包頭的“建立”位。當此位為低電平時，表示將交換機制的模式保持為包交換。此后，數(shù)據(jù)包通過輸入緩沖隊列發(fā)送，并且緩沖隊列時鐘正常工作。傳統(tǒng)的路由器只支持單一的交換機制，靈活性不強。本發(fā)明的優(yōu)點在于充分挖掘硬件的復用性，可在不明顯增加電路總面積的前提下根據(jù)數(shù)據(jù)包長靈活地選擇不同的交換機制，從而充分發(fā)揮了兩種交換機制在各自特定包長下的通信效率和能量效率的優(yōu)勢。


圖1片上網(wǎng)絡(luò)路由器的通常組成結(jié)構(gòu)。圖2可配置交換機制的路由器結(jié)構(gòu)。圖3數(shù)據(jù)包格式示意圖。圖4“交換機制模式信號”控制電路圖。
具體實施例方式可配置交換機制路由器的數(shù)據(jù)包分為以下類型:包交換的包頭、數(shù)據(jù)體包，電路交換的建立包、應答包、數(shù)據(jù)體包、釋放包。除了數(shù)據(jù)體包，其它包的格式是一樣的，如圖3所示。釋放位只在電路交換過程中有意義，當其為高電平時表示釋放包，其余時間為低電平；對于包交換中的包頭，若建立 位為1，則為電路交換建立包，若應答位為1，則為應答包，若建立位和應答位都為0,則為包交換的包頭。源地址和目的地址都是6位,高三位為Y坐標，低三位為X坐標。包長為5位，表明包交換一次發(fā)送的微片數(shù)目包括頭微片長度最大為31?？膳渲媒粨Q機制的路由器初始工作在包交換模式，此時若需要通過包交換方式向某一節(jié)點發(fā)送n (n〈31)個微片的數(shù)據(jù)，則先發(fā)送一個頭微片，釋放、建立、應答位都為0，源地址為本地地址，包長為包括頭微片的數(shù)量，接著發(fā)送體微片，即有效數(shù)據(jù)。當一個中間結(jié)點收到頭微片時，通過解析目的地址進行路由計算后申請一個輸出端口，這個輸出端口會一直保持下去，直到后面的體微片發(fā)送完畢。當需要使用電路交換方式時，則先向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個建立包，它和正常頭微片的區(qū)別是建立位為1、包長為5’ blllll，之后建立包會邊路由邊建立路徑，同時將沿途路由器切入電路交換模式以及將相應端口的輸入緩沖隊列的時鐘關(guān)斷，直到建立包到達目的節(jié)點。到達后，目的節(jié)點將建立包的源地址和目的地址互換并將應答位置1、建立位清零、包長設(shè)為I后改造成應答包發(fā)送出去。源節(jié)點在收到應答包時可確認該路徑建立成功，于是開始發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在已經(jīng)建立好的從源節(jié)點到目的節(jié)點之間的組合邏輯路徑高速無阻塞地傳輸，在發(fā)送最后一位數(shù)據(jù)時將釋放位置1，則最后一個數(shù)據(jù)邊傳輸邊釋放路徑，路由器切回至包交換模式。當不同端口的路由計算模塊在同一時刻向某一端口的發(fā)出輸出請求時，以及當某一端口正在發(fā)送數(shù)據(jù)時有新的輸出請求出現(xiàn)時，本端口需要按照一定規(guī)則僅響應其中的一個請求。這個規(guī)則就是仲裁算法，由仲裁器實現(xiàn)。本發(fā)明采用了改進的輪詢仲裁算法，即優(yōu)先查詢電路交換的建立包申請，再按照固定的順序輪流查詢各個端口的請求信號。這樣可以減少端口的空閑占用時間，降低鏈路資源競爭的概率。
權(quán)利要求
1.一種適用于片上網(wǎng)絡(luò)的可配置交換機制的路由器，有以下模塊組成:輸入緩沖隊列、路由計算模塊、仲裁器和交換開關(guān)，具有東、南、西、北和本地5組端口，其特征在于:在數(shù)據(jù)輸入端口增設(shè)一個二選一的數(shù)據(jù)選擇器，外部輸入的數(shù)據(jù)分兩個支路，一個支路與所述數(shù)據(jù)選擇器的一個端口連接，另一個支路通過輸入緩沖隊列后與所述數(shù)據(jù)選擇器的另一個端口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可配置交換機制的路由器，其特征在于在電路交換機制下，設(shè)置包頭中相應的配置位，將所述數(shù)據(jù)選擇器的輸出通道來源切換至外部輸入的數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)不通過輸入緩沖隊列而直接輸出，同時關(guān)斷輸入緩沖隊列的時鐘，以節(jié)約功耗、降低延時。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可配置交換機制的路由器，其特征在于電路交換的建立路徑配置包通過包交換方式路由，具有共用路由計算模塊，以減小硬件開銷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可配置交換機制的路由器，其特征在于在輸出仲裁方面設(shè)定電路交換請求包的仲裁優(yōu)先級聞于包交換，以減少電路交換的阻塞等待時間，提聞網(wǎng)絡(luò)吞吐量、減少延時。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可配置交換機制的路由器，其特征在于電路交換和包交換機制共用輸出交換開關(guān)，以減小硬件開銷。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路的片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種可配置為電路交換或包交換兩種交換機制的路由器。通常的路由器由輸入緩沖隊列、路由計算模塊、仲裁器和交換開關(guān)組成，具有東、南、西、北和本地5組端口。本發(fā)明在通常路由器的數(shù)據(jù)輸入端口增加一個二選一的數(shù)據(jù)選擇器(MUX)，外部輸入的數(shù)據(jù)分兩個支路，一路與MUX的一個端口連接，另一路通過輸入緩沖隊列后與MUX的另一端口相連。本發(fā)明可在不明顯增加電路總面積的前提下根據(jù)數(shù)據(jù)包長靈活地選擇不同的交換機制，從而充分發(fā)揮兩種交換機制在各自特定包長下的通信效率和能量效率的優(yōu)勢。
文檔編號H04L12/771GK103152275SQ20131008326
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者虞志益, 林杰, 歐鵬, 李毅 申請人:復旦大學