MECS拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)微電路的研究與實(shí)現(xiàn)

劉怡俊，劉俊輝

(廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東廣州510006)

由于片上系統(tǒng)不能滿足大規(guī)模集成電路發(fā)展需要，新的設(shè)計(jì)方法片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)應(yīng)運(yùn)而生.它是把傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)移植到芯片內(nèi)部，以成本低廉的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分組交換架構(gòu)取代傳統(tǒng)的總線架構(gòu).文獻(xiàn)［1］詳細(xì)介紹了片上網(wǎng)絡(luò)各組成部分，包括常見的Mesh拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)跟Torus拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)以及交換技術(shù)等基本概念.文獻(xiàn)［2］提出一種基于片上網(wǎng)絡(luò)的互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)－層次化路由結(jié)構(gòu)MLR(Multi-Layer Router).該結(jié)構(gòu)通過層次化設(shè)計(jì)減小網(wǎng)絡(luò)直徑，具有良好的對(duì)稱性和擴(kuò)展性.文獻(xiàn)［3］具體提出了MECS拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖1)，但由于IP核數(shù)量的增加，輸入緩沖區(qū)容易堵塞增加時(shí)延，而且對(duì)重要數(shù)據(jù)包傳輸也沒有進(jìn)行優(yōu)先處理.文獻(xiàn)［4］提出了虛擬通道控制器的設(shè)計(jì).文獻(xiàn)［5］提出利用交叉開關(guān)進(jìn)行并行輸入.文獻(xiàn)［6］提出了一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)資源節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)連接，內(nèi)部的路由節(jié)點(diǎn)與3個(gè)相鄰的路由節(jié)點(diǎn)相連，雖然容錯(cuò)性能很好但它的面積和功耗都比較大.文獻(xiàn)［7］對(duì)不同數(shù)目的緩沖區(qū)進(jìn)行分析，優(yōu)化性能.文獻(xiàn)［8］采用模擬退火算法減少虛擬通道數(shù)目并優(yōu)化分配方式，達(dá)到功耗優(yōu)化的目標(biāo).文獻(xiàn)［9］采用了緩沖區(qū)被多個(gè)端口共享FIFO方式提高網(wǎng)絡(luò)性能和硬件開銷.文獻(xiàn)［10］提出了QoS服務(wù)質(zhì)量保證，針對(duì)不同數(shù)據(jù)采用不同優(yōu)先級(jí)方式確保了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包低延時(shí)的傳輸.本文針對(duì)當(dāng)前決定NoC網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的關(guān)鍵性因素拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，采用了文獻(xiàn)［3］的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)MECS，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)IP核集成在一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)上，然后采用一對(duì)多通信方式，提高了連通性，它們之間的傳輸不需要經(jīng)過多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，避免了經(jīng)過中間路由器的延遲和能量損耗，節(jié)點(diǎn)間平均距離(hop)最大為2，不僅節(jié)約了硬件資源，減少了通信延遲時(shí)間和提高了吞吐量，而且相對(duì)于3維拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)［11］結(jié)構(gòu)物理布局布線難度較小，而且在此基礎(chǔ)上對(duì)輸入輸出模塊進(jìn)行改進(jìn)和對(duì)特殊需要的數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先傳輸.本文分4部分，第1部分是MECS工作原理，第2部分是路由器結(jié)構(gòu)，第3部分是路由算法，最后是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果.

圖1 MECS拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 MECS topology network architecture

1 MECS工作原理

MECS是一種新型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使用一對(duì)多高程度的互連的通信模式，擁有較小網(wǎng)絡(luò)直徑.MECS是采用多個(gè)IP核集成在一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)內(nèi)，數(shù)據(jù)來自節(jié)點(diǎn)內(nèi)IP核發(fā)出的和接收來自其他路由節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)到Cache的.轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)采用交換開關(guān)方式，輸出到本地、水平方向路由節(jié)點(diǎn)和豎直方向路由節(jié)點(diǎn)，XY方向是采用廣播方式直接輸入到輸入緩沖中，然后再比較是否要進(jìn)行第二次廣播［12］，因此從源IP核到目的IP核之間最多只需要2次跳躍，路由算法是采用XY無死鎖算法，采用虛直通交換，避免了數(shù)據(jù)丟失，保證了較高的服務(wù)質(zhì)量

2 路由器基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，MECS拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有64個(gè)IP核，按照編號(hào)把IP核每4個(gè)集成在一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)上.因此64個(gè)IP核總共需要6位二進(jìn)制數(shù)表示.0000_00表示第一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的第一個(gè)IP核，以此類推，1111_00表示16個(gè)路由節(jié)點(diǎn)第64個(gè)IP核.總共有32條鏈路，網(wǎng)絡(luò)直徑為2，相比較Torus和Mesh拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，MECS能大程度地減少路由節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)和傳輸時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)，縮短了網(wǎng)絡(luò)直接平均距離和延時(shí).圖2為本文提出的MECS路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，擁有輸入模塊、IP核模塊、VC控制器和交叉開關(guān)、路由算法模塊.其中仲裁器采用的是輪詢仲裁方式，路由算法是采用XY確定性算法，交換開關(guān)采用交叉陣列式.

圖2 路由單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Routing unit structure

2.1 輸入模塊

2.1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，把微片大小定義為32位，其中頭兩位00表示頭微片，頭微片攜帶路由信息，01表示數(shù)據(jù)微片，10表示尾微片.首先數(shù)據(jù)從IP核出來，根據(jù)目的資源節(jié)點(diǎn)可以推算出目的節(jié)點(diǎn)在哪個(gè)路由節(jié)點(diǎn)上，然后把路由節(jié)點(diǎn)信息放在頭微片上，數(shù)據(jù)分割成多個(gè)數(shù)據(jù)微片，最后在尾微片處結(jié)束.由于本文只有64位IP核，那么就只需6bit，高4位為節(jié)點(diǎn)數(shù)低2位是IP核數(shù)目例如0000_01則為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)第2個(gè)IP核，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)前兩位為豎直方向，后兩位為水平方向.P位為數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)位，在網(wǎng)絡(luò)接口注入數(shù)據(jù)時(shí)為某些重要業(yè)務(wù)或突發(fā)性業(yè)務(wù)設(shè)置優(yōu)先級(jí)，在鏈路堵塞時(shí)，具有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流對(duì)鏈路擁有優(yōu)先權(quán)，使系統(tǒng)得到及時(shí)實(shí)現(xiàn)功能.

圖3 微片結(jié)構(gòu)Fig.3 Filt structure

2.1.2 輸入緩沖區(qū)

因?yàn)镹oC受面積影響大，F(xiàn)IFO移位寄存器設(shè)計(jì)更適合，因?yàn)镾RAM的地址譯碼器邏輯部分要求有額外的面積開銷，并且在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接入期間信號(hào)會(huì)有更頻繁的翻轉(zhuǎn)變換.本文輸入的數(shù)據(jù)采用FIFO對(duì)數(shù)據(jù)包各微片并行存儲(chǔ).緩存器空間的大小由兩個(gè)指標(biāo)來定義，深度和寬度.寬度定義了包中并行字節(jié)的數(shù)量(FIFO內(nèi)部字節(jié)的寬度)，深度給出了路由緩存能夠存儲(chǔ)的給定大小的微片的最大數(shù)量.本文采用深度為12、位寬為32位的輸入緩沖區(qū)，如圖4所示(a)為緩沖區(qū)空，(b)為滿.用2個(gè)狀態(tài)位表示，讀和寫循環(huán)單次用1表示，循環(huán)雙次用0表示，當(dāng)讀寫位置一樣時(shí)，兩個(gè)狀態(tài)位相等則是空，不等則為滿.每個(gè)輸入端都擁有2個(gè)虛擬通道，其空滿狀態(tài)由標(biāo)志位表示，由VC控制器控制.

圖4 FIFO空滿標(biāo)志Fig.4 Empty or full flag of FIFO

2.1.3 虛直通交換

本文數(shù)據(jù)傳輸采用虛直通交換機(jī)制［13］.它把數(shù)據(jù)包分割成很小的微片，如圖3所介紹的結(jié)構(gòu).所有的微片按數(shù)據(jù)包中的順序排列好，以“流水線”的形式頭微片先于數(shù)據(jù)微片和尾微片依次在網(wǎng)絡(luò)中傳輸.在輸入到Cache時(shí)，首先檢查flit類型，如果是頭微片且Cache為空則在仲裁器中標(biāo)記，然后從緩沖區(qū)中輸出數(shù)據(jù)flit，遇到尾flit時(shí)把標(biāo)記取消，最后詢問下一個(gè)Cache，這樣保證了同一個(gè)包所有的微片按序傳輸，而且不會(huì)讓其他數(shù)據(jù)包的微片插入進(jìn)來，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包出錯(cuò).當(dāng)沒遇到堵塞時(shí)相當(dāng)于直通，并且只占用緩沖區(qū)很少的資源就立馬把微片轉(zhuǎn)發(fā)出去，縮短了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延.當(dāng)遇到堵塞時(shí)，把數(shù)據(jù)全存儲(chǔ)在最后一個(gè)堵塞的Cache中.因此每個(gè)Cache的深度應(yīng)該等于或者大于數(shù)據(jù)微片的大小，等待下次輸出.

2.2 VC控制器和交叉開關(guān)仲裁器

本文通過設(shè)置統(tǒng)一個(gè)數(shù)虛擬通道，并采用不同數(shù)目測(cè)試各自虛擬通道利用率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、吞吐量等性能.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)多個(gè)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)同一資源傳輸數(shù)據(jù)導(dǎo)致堵塞時(shí)，仲裁器［14］根據(jù)一定的法則將資源優(yōu)先分配給某個(gè)資源請(qǐng)求者.在輸入緩沖區(qū)采用的是輪詢方式仲裁存儲(chǔ)數(shù)據(jù).當(dāng)要進(jìn)入交叉開關(guān)后，存在多個(gè)輸入端口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)輸出端口情況，這就存在如何分配和競(jìng)爭(zhēng)的問題，本文輸出數(shù)據(jù)時(shí)首先仲裁優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)進(jìn)行傳輸，同一優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)則按照計(jì)數(shù)器仲裁方式進(jìn)行傳輸，來自水平方向和豎直方向的數(shù)據(jù)跟本路由節(jié)點(diǎn)4個(gè)IP核產(chǎn)生的數(shù)據(jù)共同競(jìng)爭(zhēng)統(tǒng)一資源或者并發(fā)使用不同資源縮短時(shí)延，從而可以提高吞吐量.其中同等優(yōu)先級(jí)下的交叉開關(guān)陣列如圖5所示.行為輸入端口，列為輸出端口，即從行端口中的Cache取出數(shù)據(jù)輸出到列的端口去.

圖5 交叉開關(guān)Fig.5 Crossbar

圖5中每列最多只有一個(gè)1(1表示為列與行端口建立了通路，它是由仲裁器和路由算法決定)，其余為0，當(dāng)整個(gè)包微片輸出完，然后恢復(fù)為0.此交換開關(guān)允許并行輸出，如圖5所示是Xport1_1(水平輸入端口1虛擬通道1)經(jīng)過仲裁獲得輸入到IP核的優(yōu)先權(quán)，建立了通路，直到數(shù)據(jù)包傳輸完畢，恢復(fù)為0，然后在其他端口繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)仲裁，其他類似都是并行工作.

2.3 路由算法

路由算法［15］是在NoC網(wǎng)絡(luò)中決定數(shù)據(jù)微片從一個(gè)路由器轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)是哪個(gè)路由器的策略.是根據(jù)數(shù)據(jù)包頭微片包含的路由節(jié)點(diǎn)信息、IP核信息、數(shù)據(jù)微片類型信息、業(yè)務(wù)類型優(yōu)先權(quán)信息和本地路由信息相結(jié)合，通過一定的仲裁方式來決定下一跳路由節(jié)點(diǎn)的算法.

本文路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來自兩個(gè)方面，分別是從其他路由節(jié)點(diǎn)輸入到緩存和本地路由節(jié)點(diǎn)輸出的，首先從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)先判斷該數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，如果是優(yōu)先級(jí)高則優(yōu)先取得輸出權(quán)，(1)假如是從豎直緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)則直接傳輸?shù)奖竟?jié)點(diǎn)目的IP核;(2)如果是水平緩沖區(qū)先直接判斷是否本路由節(jié)點(diǎn)就是目的節(jié)點(diǎn)，如果不是則把輸入進(jìn)行豎直方向廣播，如果是就直接判斷是本路由節(jié)點(diǎn)的哪一個(gè)IP核;(3)如果是從IP核直接輸出的數(shù)據(jù)，那么就先判斷目的IP核是否為本路由節(jié)點(diǎn)，如果是就直接輸入IP核，如果不是則先判斷水平方向是否一致，如果不一致則在水平方向進(jìn)行廣播，如果是就直接進(jìn)入豎直方向廣播.當(dāng)發(fā)現(xiàn)不是高優(yōu)先級(jí)時(shí)，那么就將進(jìn)入計(jì)數(shù)器仲裁方式，通過自身計(jì)數(shù)器數(shù)值大小最高的取得輸出權(quán)按照同樣的方式進(jìn)行傳輸，如果沒有獲取到優(yōu)先權(quán)，那么就將進(jìn)入下一輪回的等待，計(jì)數(shù)器要加1.其中當(dāng)取得輸出權(quán)時(shí)，必須在交叉開關(guān)陣列中標(biāo)識(shí)為1，說明已經(jīng)被占用，其他輸入端口想競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，直到數(shù)據(jù)微片輸出完(標(biāo)志位為0)時(shí)才能再次競(jìng)爭(zhēng)資源，

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文詳細(xì)介紹了MECS路由器結(jié)構(gòu)，并用模擬仿真軟件Modelsim10.0版本實(shí)現(xiàn)，采用verilog語言編寫而成的，實(shí)例化64個(gè)IP核16個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)集成有4個(gè)內(nèi)部IP核，連接成4×4MECS網(wǎng)絡(luò)，

如圖6所示，目的是從第1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)(編號(hào)00)第1個(gè)IP核發(fā)出數(shù)據(jù)(00_0111_11_1_0000000，其中最高兩位是00，說明是頭微片，)傳輸?shù)降?個(gè)節(jié)點(diǎn)的第4個(gè)IP核位置，由于此數(shù)據(jù)包擁有高優(yōu)先級(jí)1，則比其他普通數(shù)據(jù)擁有競(jìng)爭(zhēng)資源優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù).IP核在路由節(jié)點(diǎn)(編號(hào)0000)發(fā)出數(shù)據(jù)判斷出要X廣播，由于設(shè)置了其他IP核也發(fā)出數(shù)據(jù)進(jìn)行Y廣播，存在競(jìng)爭(zhēng)資源，如圖所示得到了權(quán)限，進(jìn)行廣播，不用存儲(chǔ).數(shù)據(jù)在水平方向其他的路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷接收，第三個(gè)路由節(jié)點(diǎn)(編碼0011)判斷數(shù)據(jù)符合自己，則把數(shù)據(jù)存入Xport1緩沖區(qū)中，通過FIFO得到數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)是要進(jìn)行Y廣播，則要跟路由其他水平緩沖區(qū)和IP核其他發(fā)出Y廣播的進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)端口權(quán)限，圖中競(jìng)爭(zhēng)失敗，原因是此通道已經(jīng)被使用了，等待一組微片時(shí)間，然后得到權(quán)限，輸出到第7個(gè)路由節(jié)點(diǎn)(0111)Yport1緩沖區(qū)，由于同樣的原因，競(jìng)爭(zhēng)失敗，之后因?yàn)楦邇?yōu)先級(jí)得到輸入權(quán)限，第4個(gè)IP核成功接收數(shù)據(jù).

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 The experimental results

往每個(gè)IP核注入32 Bit*5*20數(shù)據(jù)量，初始化數(shù)據(jù)向指定IP核傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)最多共有6路并行工作，實(shí)際整個(gè)傳輸過程有16個(gè)路由節(jié)點(diǎn)共有63路并行工作，原因是數(shù)據(jù)先后注入并傳輸?shù)街付康膫鬏?，按照路由算法依次傳遞存在時(shí)間差以及數(shù)據(jù)沒覆蓋所有鏈路導(dǎo)致，當(dāng)更多數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳輸路徑短和多路并發(fā)優(yōu)勢(shì)就發(fā)揮出來.在功能仿真下［16］，以1 ns為時(shí)間單位，完成時(shí)間為306 ns，理想時(shí)間是200 ns，而MESH需要時(shí)間是438 ns.其中MECS位寬是一個(gè)flit單位32 Bit，平均帶寬是6.69*105Bit/s，其與理想狀況相比，同一路由節(jié)點(diǎn)各Cache內(nèi)共同競(jìng)爭(zhēng)水平或豎直方向時(shí)要發(fā)生資源競(jìng)爭(zhēng)，按照高優(yōu)先級(jí)后按計(jì)時(shí)器優(yōu)先級(jí)規(guī)則占用資源，從而導(dǎo)致時(shí)間延遲，比理想狀況直接有鏈路到達(dá)時(shí)間慢，但節(jié)省更多硬件資源.

實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)能成功發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)、無丟失，通過與2DMesh相比較，在注入通信量很大的情況下評(píng)估整體網(wǎng)絡(luò)性能，通過波形圖體現(xiàn)本拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)比后者在時(shí)間延遲方面有較大的縮短，通過設(shè)置不同數(shù)目虛擬通道以及注入不同的數(shù)據(jù)包總量時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)虛擬通道為4時(shí)，延時(shí)最少，虛擬通道利用率較高.結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)適用于片上網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用.

4 結(jié)束語

近年來，眾多學(xué)者對(duì)NoC的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)研究主要集中在MESH和Torus上，并在此基礎(chǔ)上不斷完善，但由于各自缺陷，發(fā)展已受到限制.本文提及的架構(gòu)思想原理新穎，物理實(shí)現(xiàn)發(fā)展正在加速成熟，擁有網(wǎng)絡(luò)直徑小、實(shí)現(xiàn)技術(shù)容易和節(jié)省硬件開銷等優(yōu)點(diǎn).從仿真結(jié)果看，相比傳統(tǒng)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，MECS確實(shí)擁有傳輸延遲小、吞吐量大、所消耗功能低和硬件資源節(jié)省等眾多優(yōu)勢(shì)，而且在物理布局布線方面也不會(huì)存在技術(shù)問題，因此這結(jié)構(gòu)將會(huì)是NoC發(fā)展的一個(gè)重要研究方向，給CMP芯片廠商巨大的推力.本研究?jī)?nèi)容交換機(jī)制為虛擬直通技術(shù)可能存在一定的限制性，采用沖孔交換技術(shù)跟虛擬通道技術(shù)優(yōu)化結(jié)合和解決傳輸熱點(diǎn)問題是筆者以后著重研究的課題.

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