CN101488922B - 具备自适应路由能力的片上网络路由器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及片上多处理器核间通信技术领域，旨在提供一种具备自适应路由能力的片上网络路由器及其实现方法，用于构建片上网络通信***。该片上网络路由器，包括依次连接的输入流控制器、输入缓存器、路由仲裁器、输出控制器和输出流控制器；所述输入缓存器包括依次数据寄存器组和一个数据选择器，数据包指针与数据选择器相连。本发明通过采用改进的XY路由器，使得路由过程具备一定的自适应性，可以根据数据端口拥塞度，动态选择合适的数据端口，减少数据包的阻塞，提高网络的传输速度和吞吐量。采用模块化的设计方法，可以降低设计的复杂性，提高模块功能验证的效率。模块之间的接口设计，简化了模块设计，便于模块之间可以高效交互。

Description

具备自适应路由能力的片上网络路由器及其实现方法

技术领域

本发明涉及片上多处理器核间通信技术领域，提出了一种具备自适应路由能力的片上网络路由器及其实现方法，用于构建片上网络通信***。

背景技术

随着计算机制造和集成电路技术的发展，单位硅片上的晶体管数量成倍增长，也就意味着单位硅片面积上可以集成更多的处理器核。片上多核，即在单个硅片上实现多个处理器核的体系结构，由于其设计和验证的简单性，同时在性能和能耗上的优势，逐步受到工业界的青睐。

在单芯片多处理器中一个重要的问题就是处理器间的通信连接问题。传统的方式是采用共享总线的方式，即多个处理器连接在一条总线上，当多个处理器需使用总线访问内存时，通过总线仲裁器来决定访问权。共享总线方式实现简单，发展成熟，并可以通过使用IP核来简化设计，因此，共享总线方式在传统的片上多核体系结构中得到广泛应用。

但是，随着集成制造技术的进一步发展，片上多核的处理器核数将进一步增加。由此，传统总线方式将遇到瓶颈：总线是一种共享介质的互连结构，某一时刻只允许一个设备使用总线。在总线被占用期间，所有其他的请求被阻塞，直到总线空闲。假设存在成千上百个处理器争用一条总线，就会造成极大的延迟。

由于上述原因，共享总线方式无法满足片上处理器数目增多时的通信需求。借鉴互连网络，在片上实现网络路由节点，解决片上组件之间的通信问题，这就是片上网络。片上网络(NoC-Network On Chip)技术以其支持同时访问、可靠性高、可拓展性强等特点而被广泛用于片上多处理器互连。路由器是片上网络***的主体，一般由路由器按照一定的拓扑结构搭建出网络，然后将各片上组件连接到路由器构成片上网络***。

虽然，现在的片上网络存在很多的拓扑结构，但二维的平面mesh结构由于实现上的简单性而被广泛使用。在这种结构中，每个路由器有5个端口，其中四个端口分别位于东，南，西，北四个方向用于和别的路由器相连，构成二维的mesh网状结构，剩下的一个端口(L)用于连接本地组件。这样的规则网络结构在工艺上不难实现，同时也易于设计过程中的综合与验证。除网络的拓扑结构和路由器外，要充分发挥片上网络的性能，提高通信带宽，减小传输延迟，路由算法的设计十分重要。为了简化硬件设计，路由算法应该足够简单，并且要高效。在mesh网络中，实际用得较广泛的是XY路由算法。在mesh二维网络中，每个路由节点都有一个二维地址标识。数据以数据包的形式在网络中传输，包头中包含数据包的目的地址，即目的路由器的二维地址。路由器通过解析当前包头中的信息，结合路由器本身的二维地址来确定数据包的转发和接收。

但是XY路由算法是一种静态路由算法，即当确定数据包的起始和终止地址后，包传输的路径就被确定下来。在这样的路由决策中，数据通道中拥塞度的不平衡性是不可避免的一个问题。比如会出现这样的情况，一个路由器中有多个数据包在请求端口东的使用权，但部分数据包也可通过端口北到达目的地并且此时端口北处于空闲状态，这样情况就使得资源不能充分被利用，数据包受到阻塞，影响整体的性能。本发明中改进的具有自适应能力的XY路由算法不必遵循X方向优先的规则，可以根据当前横向通道和纵向通道的通阻塞情况，动态选择到达目的地合适的通道，从而减少数据包的阻塞，提高传输速度。

网络中的数据包主要由连接在路由器上的组件产生，组件上的网络接口结合数据的目的地址将数据打包成数据包，并通过本地路由器将数据包注入网络。数据包根据XY算法在网络中传输，直到目的地，完成通信过程。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种具备自适应路由能力的片上网络路由器及其实现方法。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

本发明提供了一种具备自适应路由能力的片上网络路由器，包括依次连接的输入流控制器20、输入缓存器22、路由仲裁器25、输出控制器32和输出流控制器21；所述输入缓存器22包括依次数据寄存器组24和一个数据选择器a35，数据包指针23与数据选择器a35相连；

所述路由仲裁器25包括依次连接的数据包寄存器26、包头分析器27、改进的XY路由器28、数据请求和发送器29，数据包寄存器26还连接数据请求和发送器29；

所述输出控制器32包括轮转选择器31和数据选择器b45；

所述改进的XY路由器28包括数据选择器c55和数据比较器41。

作为一种改进，所述改进的XY路由器28有5个端口，每个端口有两个数据通道，分别为输入通道和输出通道。

本发明还提供了一种基于前述具备自适应路由能力的片上网络路由器的实现方法，包括以下步骤：

(1)当数据包需要进入时，输入流控制器20检测到输入请求Req信号线上的电位变化，输入流控制器20通过State端口查询输入缓存器22的数据寄存器组24；如果当前的输入缓存器22满，则输入流控制器20不响应来自外部的数据请求；如果输入缓存器22空闲，则输入缓存器22通过Ack信号线置应答信号，完成数据包的接收；输入缓存器22的Ack信号通过输入流控制器20应答外部的请求信号，表明数据包接收完毕；

(2)当数据寄存器组24中存在未被处理的数据包时，首先检查其与路由仲裁器25之间的Req信号线；如果此时，Req信号还为高电平，根据握手协议，表明上一数据包的路由过程未结束，数据寄存器组24需要等待；如果此时的Req信号线为低电平，则说明当前的路由仲裁器25空闲，数据寄存器组24置位Req信号线表明存在新的数据需处理；

(3)路由仲裁器25接收到Req信号后，读取输入缓存器22中的数据包指针23所指向的数据包，并存放在数据包寄存器26中；然后经由改进的XY路由器28、数据请求和发送器29向将要发送的输出控制器32发出数据请求Req；当输出控制器32轮转处理到当前的数据请求时，如果此时输出通道空闲，则转发数据包寄存器26的数据包，并且发应答信号给路由仲裁器25；路由仲裁器25接到来自输出控制器32的应答信号后向输入缓存器22发出应答信号；然后输入缓存器22更新数据包指针23，使其指向下一个未处理的数据包。

作为一种改进，所述步骤(1)中，在接收新的数据包时，当前四个数据寄存器组24中的未处理的数据包会逐个前移，空出缓存尾部中的位置存放新的数据包；接收完毕后，输入缓存器22会更新数据包指针23，使其指向当前最靠近缓存头部且未被处理的数据包。

作为一种改进，所述步骤(3)中，数据比较器41比较数据包的地址和路由器的地址，即数据包X方向地址与路由器的X方向地址相比，数据包的Y方向地址与路由器Y方向地址相比，将比较的结果输出用于确定请求的端口以及相应端口的数据请求数，再通过比较选择的两个通道的数据请求数来确定最后的请求通道。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：通过采用改进的XY路由器，运用改进的XY路由算法，使得路由过程具备一定的自适应性，可以根据数据端口拥塞度，动态选择合适的数据端口，减少数据包的阻塞，提高网络的传输速度和吞吐量。采用模块化的设计方法，可以降低设计的复杂性，提高模块功能验证的效率。模块之间的接口设计，简化了模块设计，便于模块之间可以高效交互。

附图说明

图1是本发明实例路由器的结构框图；

图2是数据包格式图；

图3是输入缓存器电路图；

图4是路由仲裁器结构框图；

图5是改进的XY路由器电路图；

图6是输出选择器结构框图。

具体实施方式

本发明提出了一种具备自适应路由能力的片上路由器设计方法，用于构建片上网络通信***。在设计路由器过程中，采用了如图1所示的结构。本发明分别对数据包的接收、缓存、解析路由、转发等过程进行了设计。

采用的数据包格式

本发明中采用如下的数据包格式，如图2所示，包括X方向的地址，Y方向的地址，数据和数据类型四个部分。其中，X和Y地址的数据宽度决定了当前的路由器所能支持的网络的大小。举例而言，如果X和Y的数据宽度为4，那当前路由器所能支持的最大的网络为16×16。数据和数据类型确定了端点之间通信的数据的内容和属性。

输入流和输出流控制器

本发明中所述的流控制器包括输入流控制器20和输出流控制器21，其中的设计实现主要包括端口的设计和握手协议的实现。输入流和输出流控制器中的端口主要包括数据请求信号(Req)和数据应答信号(Ack)。除此之外，输入流控制器20拥有状态读入信号(State)，用于读取输入缓存当前的状态。当有新的数据信号发送时，发送端置请求信号；接收端读取新的数据信号，写入输入缓存器22中的数据寄存器组24后置应答信号，表示当前的数据接收完毕；发送端接收到应答信号后，取消请求信号，直到下次再有新的数据需要发送。通过，这种简单的握手协议，可以到达控制数据包传输速率，减小包损失的目的。

输入缓存器

本发明所述的输入缓存器22包括一个数据包指针23、四个数据寄存器组24和数据选择器a35，其结构如图3。数据寄存器组22中的寄存器数据宽度与数据包的宽度相同，通过实现一数据指针指向当前需处理的数据包；通过设置空和满两个标识符表示缓存当前的状态。

输入缓存器组22具体的操作过程如下：当四个数据寄存器组24中有空闲且有新的数据包到达时，数据包逐个向前移动，空出数据寄存器组24最左端的那个寄存器接收新到的数据包。同时，数据包指针23会得到更新，指向最靠近数据寄存器组24组头部的未被处理的数据包。当数据寄存器组24中存在未处理的数据包时，输出请求信号始终有效。当数据寄存器组24处于满状态时，输入缓存器22就不在接收新的数据包，相应的数据包输入通道就处于阻塞状态。当处理完一个数据包后，如果此时还有数据包未处理，那数据包指针23就向数据寄存器组24左端移动一格，指向新的未处理的数据包。

路由仲裁器

本发明所述的路由仲裁器包括数据包寄存器26、包头分析器27、改进的XY路由器28、数据请求和发送器29，如图4所示。本发明提出的具备自适应功能的XY路由技术，确定数据包的转发方向，向相应的输出控制器发出数据转发请求，实现路由功能。

为了获得当前的数据输出端口的拥塞状况，本发明通过在输出控制器32记录当前的数据请求数量，并且将此信息传送给路由仲裁器25。路由仲裁器25利用这些信息实现自适应的路由算法。

具体的实现过程如下：

当数据包到达数据包寄存器26后，包头分析器27提取数据包中的X方向地址和Y方向地址。改进的XY路由器28通过数据比较器55，比较数据包的地址和路由器的地址，即数据包X方向地址与路由器的X方向地址相比，数据包的Y方向地址与路由器Y方向地址相比，将比较的结果输出用于确定请求的端口，以及相应端口的数据请求数。再比较选择的两个通道的数据请求数目，并且选择其中请求数目较少的请求端口。

举例而言，在一个3×3的mesh网络中，有一数据包从结点(1，2)传输到结点(2，3)。数据包由路由器(1，2)的本地端口进入。按照XY路由算法，数据包需途经(1，2)-＞(2，2)-＞(2，3)，需由路由器的东端口输出，但此时东端口的数据请求数为3；而此时路由器的北端口的数据请求数为2；通过比较东和北两端口的数据请求数，取少者优先，即数据包通过路由器的北端口，从而由路径(1，2)-＞(1，3)-＞(2，3)到达目的地。

具体的实现过程如下：数据寄存器组24中存放当前等待处理的数据包，包头分析器27读取包头中的地址信息到改进的XY路由器28。改进的XY路由器28的结构，如图5所示，主要包括数据选择器c55和数据比较器41。数据包的X地址与路由器的X地址相比较，比较结果作为对东西端口进行选择的依据：如果数据包的X地址大于路由器的X地址，则端口东的数据请求数被选中输出；X地址小于路由器的话，端口西的数据请求数被选中；如果两者相等，则输出为0。同时，比较的结果完成对端口请求的选择，当数据包的X地址大于路由器的X地址，则端口东的请求有效；反之，端口西有效。

Y方向的地址处理过程与上述X方向的处理类似。同理，路由器会在南北两个通道中选择一个有效的数据请求，并且选出其中数据请求数较少的通道。其次，通过数据比较器比较两个数据请求数，根据输出结果再在剩下的两个数据请求中选择一个有效的数据请求；如果两个数据请求数的输入都为零，那么就选择对本地端口的请求。通过上面的步骤完成了从包头分析到路由过程的实现。最后就是数据包的发送和转发。

输出控制器

本发明所述的输出控制器包括轮转选择器31和数据选择器b45，结构如图6所示。轮转选择器31在选择待处理信号的同时，将应答信号和请求数信号反馈给路由仲裁器25，便于路由仲裁器25决策。

具体的实现过程如下：轮转选择器31首先记录当前的请求数量，并将这一数据转发给仲裁路由器25；同时，对当前存在的数据请求采用轮转的方式进行处理。

举例而言，当前的数据请求包括来自东端口、南端口和北端口的请求。当前的数据请求的数量就为3，由轮转选择器31保存这一数值并将其转发给路由仲裁器25。轮转选择器31根据东、南、西、北的轮转顺序对各个请求进行处理。假设上一周期对端口东的请求进行了处理，又因为没有来自西端口的数据请求，那本周期就对南端口的数据请求进行处理。按轮转的顺序对每个数据请求进行处理，从而保证每个数据通道都得到公平处理。

综上所述，本发明的实现过程可以简单描述如下：

当数据包需要进入路由器时，输入流控制器20会检测到输入请求Req信号线上的电位变化，输入流控制器20通过State端口查询输入输入缓存器22的数据寄存器组24。如果当前的输入缓存器22满，则输入流控制器20不响应来自外部的数据请求；如果输入缓存器22空闲，则输入缓存器22通过Ack信号线置应答信号，完成数据包的接收；输入缓存器22的Ack信号通过输入流控制器20应答外部的请求信号，表明数据包接收完毕。

在接收新的数据包时，当前四个数据寄存器组24中的未处理的数据包会逐个前移，空出缓存尾部中的位置存放新的数据包。接收完毕后，数据寄存器组24会更新数据包指针23，使其指向当前最靠近缓存头部且未被处理的数据包。

当输入缓存器22中存在未被处理的数据包时，输入缓存器22首先检查其与路由仲裁器25之间的Req信号线；如果此时，Req信号还为高电平，根据握手协议，表明上一数据包的路由过程未结束，输入缓存器22需要等待。如果此时的Req信号线为低电平，则说明当前的路由仲裁器25空闲，输入缓存器22置位Req信号线表明存在新的数据需处理。

路由仲裁器25接收到Req信号后，读取输入缓存器22中的数据包指针23所指向的数据包，并存放在数据包寄存器26中。然后，经由改进的XY路由器28、数据请求和发送器29向将要发送的输出控制器32发出数据请求Req。当输出控制器32轮转处理到当前的数据请求时，如果此时输出通道空闲，则转发数据包寄存器26中的数据包，并且发应答信号给路由仲裁器25。路由仲裁器25接收到来自输出控制器32的应答信号后向输入缓存器22发出应答信号。然后，输入缓存器22更新数据包指针23，使其指向下一个未处理的数据包。

通过以上各个组件的操作和组件之间的高效的传输协议，实现了数据包的接收、路由和转发过程。本发明最大的特色在于提出了一种改进的具有自适应路由能力的路由技术，可以提高网络资源利用率，加快数据包的传输速度。

Claims (5)

1.一种具备自适应路由能力的片上网络路由器，包括依次连接的输入流控制器(20)、输入缓存器(22)、路由仲裁器(25)、输出控制器(32)和输出流控制器(21)，其特征在于：

所述输入缓存器(22)包括依次连接的四个数据寄存器组(24)和一个数据选择器a(35)，数据包指针(23)与数据选择器a(35)相连；

所述路由仲裁器(25)包括依次连接的数据包寄存器(26)、包头分析器(27)、改进的XY路由器(28)、数据请求和发送器(29)，数据包寄存器(26)还连接数据请求和发送器(29)；

所述输出控制器(32)包括轮转选择器(31)和数据选择器b(45)；

所述改进的XY路由器(28)包括数据选择器c(55)和数据比较器(41)。

2.根据权利要求1所述具备自适应路由能力的片上网络路由器，其特征在于，所述改进的XY路由器(28)有5个端口，每个端口有两个数据通道，分别为输入通道和输出通道。

3.一种基于权利要求1所述具备自适应路由能力的片上网络路由器的实现方法，包括以下步骤：

(1)当数据包需要进入时，输入流控制器(20)检测到输入请求Req信号线上的电位变化，输入流控制器(20)通过State端口查询输入缓存器(22)的数据寄存器组(24)；如果当前的输入缓存器(22)满，则输入流控制器(20)不响应来自外部的数据请求；如果输入缓存器(22)空闲，则输入缓存器(22)通过Ack信号线置应答信号，完成数据包的接收；输入缓存器(22)的Ack信号通过输入流控制器(20)应答外部的请求信号，表明数据包接收完毕；

(2)当数据寄存器组(24)中存在未被处理的数据包时，首先检查其与路由仲裁器(25)之间的Req信号线；如果此时，Req信号还为高电平，根据握手协议，表明上一数据包的路由过程未结束，数据寄存器组(24)需要等待；如果此时的Req信号线为低电平，则说明当前的路由仲裁器(25)空闲，数据寄存器组(24)置位Req信号线表明存在新的数据需处理；

(3)路由仲裁器(25)接收到Req信号后，读取输入缓存器(22)中的数据包指针(23)所指向的数据包，并存放在数据包寄存器(26)中；然后经由改进的XY路由器(28)、数据请求和发送器(29)向将要发送的输出控制器(32)发出数据请求Req；当输出控制器(32)轮转处理到当前的数据请求时，如果此时输出通道空闲，则转发数据包寄存器(26)的数据包，并且发应答信号给 路由仲裁器(25)；路由仲裁器(25)接到来自输出控制器(32)的应答信号后向输入缓存器(22)发出应答信号；然后输入缓存器(22)更新数据包指针(23)，使其指向下一个未处理的数据包。

4.根据权利要求3所述具备自适应路由能力的片上网络路由器的实现方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在接收新的数据包时，当前四个数据寄存器组(24)中的未处理的数据包会逐个前移，空出缓存尾部中的位置存放新的数据包；接收完毕后，输入缓存器(22)会更新数据包指针(23)，使其指向当前最靠近缓存头部且未被处理的数据包。

5.根据权利要求3所述具备自适应路由能力的片上网络路由器的实现方法，其特征在于，所述步骤(3)中，数据比较器(41)比较数据包的地址和路由器的地址，即数据包X方向地址与路由器的X方向地址相比，数据包的Y方向地址与路由器Y方向地址相比，将比较的结果输出用于确定请求的端口以及相应端口的数据请求数，再通过比较选择的两个通道的数据请求数来确定最后的请求通道。 

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