CN101834789B - 面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法及所用路由器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法及所用路由器，该算法是一种自适应路由算法，根据片上网络拥塞情况进行路由仲裁，根据链路资源的占用情况动态改变路由路径。该算法记录满足路由条件的输出端口，在遇到拥塞后重新选择输出端口，实现回退路由，从而可以充分利用网络资源，有效避免拥塞，提高平均吞吐量，减少平均包延迟；该路由器包括依次连接的输入状态机、优先级编码器、地址译码器、仲裁器和输出状态机；本发明在选择路由路径时，不向180度方向折回路由，并且不向远离目的节点的方向路由，所以不会引起死锁或活锁的问题。本发明成本低、性能高，适用于实现高性能的片上网络***。

Description

面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法及所用路由器

技术领域

本发明涉及一种面向包-电路交换片上路由器路由算法，具体地说是一种面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法及所用路由器。

背景技术

片上网络***(Network on Chip，NoC)由资源节点11(Resource)、网络接口12(Network Interface，NI)，路由器13(Router)和链路14(Channel)组成，如图1所示。

(1)资源节点：执行计算或存储任务的节点，通常由知识产权核(IntellectualProperty，IP)构成。

(2)网络接口：指资源节点和开关节点之间的接口，实现资源节点与片上网络的标准接入；只有配备了网络接口的资源节点才能连接到网络上与其他资源节点进行通信。

(3)路由器：也称为开关节点或通讯节点，构成了片上网络的通信节点，执行通信任务。

(4)链路：指本地子***和路由器节点之间、开关节点和开关节点之间的连线，如图1中的E、W、N、S和L。

相对于传统的总线架构，片上网络在可扩展性、可重用性、设计效率、带宽等方面具有优势，为解决片上通信和全局时钟同步问题提供了有力方案。在片上网络***中，片上路由器设计的优劣将直接影响整个片上网络***的性能，所以尤为重要。而路由算法又是决定路由器设计优劣的重要因素。根据不同的片上网络拓扑结构和交换方式，采用不同的路由算法将对片上网络通信性能产生影响。同时，随着集成电路规模的增加，片上路由器将大量存在于片上网络***中，因此设计片上路由器时需要选择硬件资源消耗少、实现成本低的路由算法。目前，应用较为广泛的路由算法有静态XY路由算法、动态XY路由算法(Dy_XY)等。

基于包-电路交换的片上路由器，链路的建立通过发送请求包完成，而数据的传输则采用电路形式。在包-电路交换中，建立链路时的路由延时与网络状况有关；链路建立以后，数据传输便不依赖于网络状况，数据传输延时小而且可预测，这使得包-电路交换可以满足大量、连续数据传输的强实时性要求。包-电路交换片上路由器的每个输入(或输出)通道只需要存储一个数据包，所以其面积较小。

传统的静态XY路由算法和动态XY路由算法存在网络拥塞，网络通信效率差的问题，路由算法实现复杂，已不能满足高性能片上路由器对通信性能的要求。

发明内容

为了克服传统路由算法存在的问题，本发明的目的是提供一种面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法及所用路由器，该路由算法及所用路由器实现成本低、性能高，能避免片上网络拥塞，最大化网络通信效率，有效改善平均吞吐量和平均包延迟，降低路由算法实现复杂度，满足了高性能片上路由器对通信性能的要求。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法，其特征在于该路由算法为自适应路由算法，根据片上网络拥塞情况进行路由仲裁，根据链路资源的占用情况动态改变路由路径，记录满足路由条件的输出端口，在遇到拥塞后重新选择输出端口，实现回退路由，避免拥塞；具体步骤如下：

1)如果X方向和Y方向的输出端口同时满足路由条件并且至少有一个方向不被占用，那么存储这两个输出端口号；如果只有X方向或Y方向中的一个输出端口满足路由条件且不被占用，那么只储存这一个输出端口号；如果没有输出端口同时满足路由条件且不被占用，那么不存储任何输出端口号；

2)在满足路由条件并且链路不被占用时，先选择X方向的链路向下一级路由器传递路由请求信息；如果X方向的下一级路由器反馈路由失败信号或者X方向不满足路由条件，则在满足路由条件并且链路不被占用时，选择Y方向的链路向另一个下一级路由器传递路由请求信息；如果Y方向的下一级路由器又反馈路由失败信号，则向上一级路由器反馈路由失败信号。

本发明的路由算法采用动态路由方式，根据链路资源的占用情况进行路由仲裁，不向180度方向折回路由，并且不向远离目的节点的方向路由，不引起死锁或活锁问题。

一种面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法所用路由器，其特征在于：该路由器包括依次连接的输入状态机、优先级编码器、地址译码器、仲裁器和输出状态机；

输入状态机接收上一级路由器的路由请求信号，控制输入通道的工作状态，并将接收的请求信号传送给优先级编码器；路由失败时，传递路由失败信号；

优先级编码器根据设定的优先级顺序对请求信号进行编码，选出优先处理的输入端口；

地址译码器根据优先处理的输入端口中的请求信号，将目标节点地址信号转变为路由方向信号输出；

仲裁器接收地址译码器的解码结果，根据链路的占用情况，存储解码结果中不被占用的输出端口号，同时根据先X方向后Y方向的优先级顺序，选择其中一个端口进行路由，输出输入端口与输出端口互连信号，记录链路占用情况；没有可以被选择的输出端口时，通过输入状态机向上一级路由器发送路由失败信号；通过输出状态机收到下一级路由器的路由失败信号时，根据存储的其他可能的输出端口号和链路占用信息，重新选择输出端口，直到选择合适的路径到达目的节点；

输出状态机接收仲裁器的输入端口与输出端口互连信号，向下一级路由器传递路由请求信号，控制输出通道的工作状态，并将接收的路由失败信号，传送给仲裁器。

回退转向路由算法中可能的输出端口号存储部分描述如下：

输入：地址解码后满足路由条件的可能的输出端口号信息(req_in)，与路由信息相对应的优先处理的输入端口号(in_flag)，各输出端口的占用信号(occupied)。

输出：可以被选择的输出端口号Dest。

1：for i＝1to端口总数目do

2：{3行：判断可能的输出端口中是否有不被占用的端口}

3：if req_in[i]|！occupied[i]then

4：{5-9行：存在既满足路由条件又不被占用的端口时，存储可能的输出端口号}

5：forj＝1to端口总数目do

6：ifreq_in[j]then

7：Dest[j][in_flag]←1

8：else

9：Dest[j][in_flag]←0

10：else

11：continue

12：return Dest

回退转向路由算法中回退路由部分描述如下：

输入：下游路由器节点路由失败(fail)信号，输入端口与输出端口的对应关系Conn，可以被选择的输出端口号Dest。

输出：new_out_flag队列记录各输入端口重新选择的输出端口号。

1：{2-4行：变量声明，初始化}

2：in_flag记录输入端口号

3：out_flag记录输出端口号

4：new_out_flag←0

5：{6-10行：判断下游路由器节点是否返回有效的fail信号}

6：for i＝1to端口总数目do

7：iffail[i]＝＝1then

8：out_flag←i

9：else

10：continue

11：{12-16行：找出对应的输入端口号}

12：forj＝1to端口总数目do

13：ifConn[out_flag][j]＝＝1then

14：in_flag←j

15：else

16：continue

17：{18-22行：可以被选择的输出端口号Dest信号，重新选择输出端口}

18：for k＝1to端口总数目do

19：if Dest[k][in_flag]＝＝1and k！＝out_flag then

20：new_out_flag[in_flag]←k

21：else

22：continue

23：return new_out_flag

本发明所述路由算法及所用路由器根据链路资源的占用情况进行路由仲裁，不向180度方向折回路由，并且不向远离目的节点的方向路由，不引起死锁或活锁问题。

与现有技术相比，本发明实现成本低、性能高，能避免片上网络拥塞，最大化网络通信效率，有效改善平均吞吐量和平均包延迟，降低路由算法实现复杂度，满足了高性能片上路由器对通信性能的要求，与动态XY路由算法相比，本发明公开的回退转向路由算法可以使片上网络的平均吞吐量和平均包延迟最大分别改善26.7％和11.6％，优势覆盖了整个负载条件，而硬件资源消耗只增加8.5％。本发明适用于实现高性能的片上网络***。

附图说明

图1是片上网络***结构示意图；

图2是本发明所述路由器的结构示意图；

图3是采用本发明的路由器端口示意图；

图4是采用本发明的路由器通路示意图；

图5是采用本发明的路由器地址译码原理示意图；

图6是本发明实现结构示意图；

图7是采用本发明的4×4二维网格片上网络***硬件结构示意图；

图8是采用本发明的路由器与采用动态XY路由算法的路由器实现结果平均吞吐量比较示意图；

图9是采用本发明的路由器与采用动态XY路由算法的路由器实现结果平均包延迟比较示意图；

图10是采用本发明的路由器与采用动态XY路由算法的路由器实现综合结果比较示意图；

具体实施方式

一种面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法，该路由算法为自适应路由算法，根据片上网络拥塞情况进行路由仲裁，根据链路资源的占用情况动态改变路由路径，记录满足路由条件的输出端口，在遇到拥塞后重新选择输出端口，实现回退路由，避免拥塞；具体步骤如下：

1)如果X方向和Y方向的输出端口同时满足路由条件并且至少有一个方向不被占用，那么存储这两个输出端口号；如果只有X方向或Y方向中的一个输出端口满足路由条件且不被占用，那么只储存这一个输出端口号；如果没有输出端口同时满足路由条件且不被占用，那么不存储任何输出端口号；

2)在满足路由条件并且链路不被占用时，先选择X方向的链路向下一级路由器传递路由请求信息；如果X方向的下一级路由器反馈路由失败信号或者X方向不满足路由条件，则在满足路由条件并且链路不被占用时，选择Y方向的链路向另一个下一级路由器传递路由请求信息；如果Y方向的下一级路由器又反馈路由失败信号，则向上一级路由器反馈路由失败信号。

路由算法采用动态路由方式，根据链路资源的占用情况进行路由仲裁，不向180度方向折回路由，并且不向远离目的节点的方向路由，不引起死锁或活锁问题。

一种面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法所用路由器，见图2，该路由器包括依次连接的输入状态机1、优先级编码器2、地址译码器3、仲裁器4和输出状态机5。

每一个路由器节点拥有五个双向端口：北(North)、东(East)、南(South)、西(West)和本地(Local)。每个端口具有输入和输出通道，其端口示意图如图3所示。本地端口负责路由器节点和本地子***的通信，其它端口负责路由器节点与近邻路由器节点的通信。图4是采用本发明的路由器通路示意图；图5是采用本发明的路由器地址译码原理示意图。

输入状态机1(Input_fsm)接收上一级路由器的路由请求信号，控制输入通道的工作状态，并将接收的请求信号传送给优先级编码器；路由失败时，传递路由失败信号。

优先级编码器2(Priority_encoder)根据设定的优先级顺序对请求信号进行编码，选出优先处理的输入端口。

地址译码器3(Decoder)根据优先处理的输入端口中的请求信号，将目标节点地址信号转变为路由方向信号输出。

仲裁器4(Arbiter)接收地址译码器的解码结果，根据链路的占用情况，存储解码结果中不被占用的输出端口号，同时根据一定的优先级顺序，选择其中一个端口进行路由，输出输入端口与输出端口互连信号，记录链路占用情况；没有可以被选择的输出端口时，通过输入状态机向上一级路由器发送路由失败信号；通过输出状态机收到下一级路由器的路由失败信号时，根据存储的其他可能的输出端口号和链路占用信息，重新选择输出端口，直到选择合适的路径到达目的节点。

输出状态机5(Output_fsm)接收仲裁器的输入端口与输出端口互连信号，向下一级路由器传递路由请求信号，控制输出通道的工作状态，并将接收的路由失败信号，传送给仲裁器。

通过仲裁器输出的互连信号，实现输入、输出端口之间的正确互连后，进入数据传输阶段，输入端口的数据信号通过数据通路直接传向下一节点，而不经过控制通路。当目标节点释放链路时，数据通路内相应输入端口与输出端口的连接关系被撤消。

回退转向路由算法在片上路由器中实现时由四个部分组成：回退仲裁模块，通道记录模块，连接模块和通道使能模块。结构如图6所示。回退仲裁模块执行路由策略，接收下游路由器节点反馈的路由失败信号fail[i]；通道记录模块接收地址解码后满足路由条件的可能的输出端口号req_in[i]信号，结合输出通道占用情况记录这些可能的输出通道号；连接模块产生输入端口与输出端口连接信号link[i]；通道使能模块产生输出端口占用信号occupied[i]。

本实施用例采用回退转向路由算法的路由器节点构成4×4二维网格片上网络***，其硬件结构示意图如图7所示，其中，R为路由器、LS为本地子***、IP为IP核、NI为网络接口。此片上网络***由回退转向路由算法片上路由器、链路和本地子***组成。回退转向路由算法片上路由器是网络的核心部件；本地子***包含一个数据发生器和一个数据接收器，分别用于发送数据和接收数据。该实施用例的功能是本地子***通过片上网络***发送和接收数据。

本实施用例***配置如下：回退转向路由算法，包-电路交换方式，数据片(flit)宽度为34位，包长度为50个数据片。***每次模拟运行的时间是25,000个时钟周期。实验结果显示，与动态XY路由算法相比，回退转向路由算法在平均吞吐量和平均包延迟上都有很大改善，如图8和9所示，最大改善程度分别能够达到26.7％和11.6％。同时，在不同的网络负载情况下，回退转向路由算法都优于动态XY路由算法。同时，在ISE 10.1.3环境下对该***进行综合。FPGA的型号为Virtex 5，器件型号为XC5VLX330T。综合结果显示，与动态XY路由算法相比，回退转向路由算法查找表(逻辑单元)有少许增加(8.5％)，而寄存器单元用量几乎相同。可见，实现回退转向路由算法实现成本低，如图10所示。

对于不同的应用，只需要将本实施用例的本地子***替换成处理单元或存储单元，从而可以支持具体的应用。同时，回退转向路由算法可以最大化网络通信效率，复杂度低，可用于实现高吞吐量、低成本、低延迟的片上路由器，适用于实现高性能的片上网络***。

Claims (2)

1.一种面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法，其特征在于该路由算法为自适应路由算法，根据片上网络拥塞情况进行路由仲裁，根据链路资源的占用情况动态改变路由路径，记录满足路由条件的输出端口，在遇到拥塞后重新选择输出端口，实现回退路由，避免拥塞；具体步骤如下：

1)如果X方向和Y方向的输出端口同时满足路由条件并且至少有一个方向不被占用，那么存储这两个输出端口号；如果只有X方向或Y方向中的一个输出端口满足路由条件且不被占用，那么只储存这一个输出端口号；如果没有输出端口同时满足路由条件且不被占用，那么不存储任何输出端口号；

2)在满足路由条件并且链路不被占用时，先选择X方向的链路向下一级路由器传递路由请求信息；如果X方向的下一级路由器反馈路由失败信号或者X方向不满足路由条件，则在满足路由条件并且链路不被占用时，选择Y方向的链路向另一个下一级路由器传递路由请求信息；如果Y方向的下一级路由器又反馈路由失败信号，则向上一级路由器反馈路由失败信号；该路由算法采用动态路由方式，根据链路资源的占用情况进行路由仲裁，不向180度方向折回路由，并且不向远离目的节点的方向路由，不引起死锁或活锁问题。

2.一种权利要求1所述面向包-电路交换片上路由器的回退转向路由算法所用路由器，其特征在于：该路由器包括依次连接的输入状态机、优先级编码器、地址译码器、仲裁器和输出状态机；

输入状态机接收上一级路由器的路由请求信号，控制输入通道的工作状态，并将接收的请求信号传送给优先级编码器；路由失败时，传递路由失败信号；

优先级编码器根据设定的优先级顺序对请求信号进行编码，选出优先处理的输入端口；

地址译码器根据优先处理的输入端口中的请求信号，将目标节点地址信号转变为路由方向信号输出；

仲裁器接收地址译码器的解码结果，根据链路的占用情况，存储解码结果中不被占用的输出端口号，同时根据先X方向后Y方向的优先级顺序，选择其中一个端口进行路由，输出输入端口与输出端口互连信号，记录链路占用情况；没有可以被选择的输出端口时，通过输入状态机向上一级路由器发送路由失败信号；通过输出状态机收到下一级路由器的路由失败信号时，根据存储的其他可能的输出端口号和链路占用信息，重新选择输出端口，直到选择合适的路径到达目的节点；

输出状态机接收仲裁器的输入端口与输出端口互连信号，向下一级路由器传递路由请求信号，控制输出通道的工作状态，并将接收的路由失败信号，传送给仲裁器。

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