CN103389962A - 基于标准正交基的cdma片上网络架构及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于标准正交基的CDMA片上网络架构及其实现方法，主要解决了现有技术中存在的片上网络架构无法在确保传输质量和传输效率的同时减少资源浪费和减小功耗的问题。该基于标准正交基的CDMA片上网络架构包括集成在一起的网络转发模块和仲裁模块，分别通过网络节点与网络转发模块和仲裁模块相连的两个以上处理单元。通过上述方案，本发明达到了传输质量和传输效率均较高、且资源浪费和功耗较少的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

基于标准正交基的CDMA片上网络架构及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于标准正交基的CDMA片上网络架构及其实现方法。

背景技术

随着单个芯片上集成的处理器数量增加，多处理器***已经越来越多地使用片上网络（Network-on-Chip，NoC）架构来解决处理器间通信量大以及通信延迟高的问题。

现有的片上网络架构主要包括为基于缓存方式的传统片上网络架构，该种片上网络架构能够解决节点之间数据通信量的问题，并能够提升一定的数据传输延迟，但是对两个节点之间的数据传输，无法保证数据传输延迟的稳定性，也就是，节点间的传输延迟是一个变量，并且受到网络拥塞情况的影响。因此，基于缓存方式的片上网络不适用于要求保证稳定传输延迟的通信应用，即无法满足通信应用在服务质量QoS（Quality of Service）上的要求。

为了保证服务质量，一种基于码分复用CDMA（Code Division Multiple Access）技术的片上网络架构被提出。在码分复用片上网络架构中，各个发送节点模块在发送数据前先使用不同的正交码字对数据进行编码，然后转发模块将编码后的数据叠加起来，最后将叠加信号通过共享信道传输到各个接收模块。由于编码码字的正交性，原始数据可以在接收节点通过使用对应的正交码字解码叠加信号来获得，由于使用共享的传输信道，节点间的数据传输不会产生拥塞，所以在码分复用片上网络架构中，节点间的数据传输延迟是一个常数，因此，使用基于码分复用的片上网络技术可以满足通信应用对服务质量的需要。

然而，基于码分复用技术片上网络架构虽然在服务质量和数据传输延迟上有着良好的性能，但是由于当前的码分复用片上网络架构一般都采用Walsh码来对数据进行编码，所以存在着如下的缺陷：N比特长度的Walsh码只能提供N-1个可编码码字，并且N=2ⁿ，其中n是整数，且n>1，所以使用Walsh码很容易导致码字利用低和资源浪费的问题。例如，由于16比特长度的Walsh只能提供15个可编码码字，因此，16个节点的NoC***，需要32比特长度的Walsh码来进行编码，最后导致16个编码码字将被浪费；当扩展传输数据位宽时，Walsh编解码模块消耗的面积和功率增长很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于标准正交基的CDMA片上网络架构及其实现方法，主要解决现有技术中存在的片上网络架构无法在确保传输质量和传输效率的同时减少资源浪费和减小功耗的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于标准正交基的CDMA片上网络架构，包括集成在一起的网络转发模块和仲裁模块，分别通过网络节点与网络转发模块和仲裁模块相连的两个以上处理单元。

具体地说，所述两个以上处理单元分别连接有与网络节点相连的网络节点接口，所述网络节点包括与网络节点接口双向连接的数据缓冲模块，与数据缓冲模块双向连接的数据收发模块，所述数据收发模块与网络转发模块和仲裁模块双向连接。

作为优选，所述处理单元为通用微处理器、硬件加速核或DSP处理器。

基于上述器件模块，本发明提供了一种基于标准正交基的CDMA片上网络架构的实现方法，包括以下步骤：

（1）在两个以上处理单元上分别设置网络节点接口，将各处理单元的网络节点接口分别通过一网络节点连接到同一个网络转发模块和仲裁模块上，且将网络转发模块与仲裁模块集成于一起；

（2）处理单元间进行数据传输时，进行数据发送的处理单元通过与其相连的网络节点接口将待传输数据和目的处理单元地址发送至与其相连的网络节点，在经过仲裁模块允许之后由网络节点将数据传输至网络转发模块进行处理，然后将经处理后的数据发送至与目的处理单元相连的网络节点，目的处理单元则通过其上的网络节点接口进行数据接收。

所述步骤（2）具体包括以下步骤：

（2a）与进行数据发送的处理单元相连的网络节点在接收到处理单元的数据发送指令时向仲裁模块发起输出申请； 

（2b）仲裁模块判断该时刻相应的目的处理单元是否只接收到一个数据传输请求，若是则允许网络节点将数据传输至网络转发模块进行编码和融合，之后将编码和融合后的数据传输至与目的处理单元相连的网络节点；若否则根据时间片轮转算法挑选允许输出节点，同时分别将仲裁结果发送至进行数据发送的网络节点和进行数据接收的网络节点，之后得到仲裁允许的网络节点进行数据输出，进行数据接收的网络节点根据仲裁结果配置对应的接收正交码字，并进行数据接收；

（2c）进行数据接收的网络节点接收到数据后进行译码和还原。

进一步地，步骤（2）中，若网络转发模块接收到从网络节点发送而来的转发数据，则按照分配给相应网络节点的正交码字对转发数据进行编码，并根据异或运算将编码后的数据进行融合，之后通过共享信道将融合后的数据传输至各进行接收的网络节点。

更进一步地，所述数据编码具体包括以下步骤：

（2d）给每一个进行数据发送的网络节点分配一组不同的标准正交基码字；

（2e）根据逻辑异或运算将进行数据发送的各网络节点的编码数据进行融合；

（2f）将融合后的数据传输至各进行数据接收的网络节点。

所述步骤（3）具体包括以下步骤：

（2c1）进行数据接收的网络节点根据从仲裁模块得到的仲裁信息配置相应的标准正交基码字；

（2c2）将从网络转发模块中接收到的融合数据和对应进行数据发送的网络节点的标准正交基码字按位进行逻辑与运算，得到解码数据；

（2c3）将解码后的数据进行累加，实现还原。

本发明中，所述网络节点由与网络节点接口双向连接的数据缓冲模块，一端与数据缓冲模块双向连接、另一端与网络转发模块和仲裁模块相连的数据收发模块构成，所述处理单元进行数据接收或发送时均将待接收或待发送数据存入数据缓冲模块，再进行接收或发送处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）相比于传统的Walsh码编码方式，使用本发明可以解决码字利用率低和资源浪费的问题，在实际应用中拥有很好的适应性和灵活性，实现难度较低，符合技术需求。

（2）本发明的编解码结构比基于Walsh码的简单，因此在扩展传输数据位宽时，基于标准正交基的编解码模块可以节省芯片面积和功率消耗，有利于实现码分复用片上网络的成本控制，性价比较高，符合市场需求。

（3）本发明通过对***架构的设定，既可以在处理单元间快速的进行数据交互，又能保证处理单元间数据的传输延迟为固定值，因此本发明可以适用于需要服务质量保证的通信应用，此外，相比于传统的CDMA NoC架构，本发明结构简单，可以降低设计难度，节省在设计和验证阶段消耗的时间，并且在实现阶段，可以减少成本和实现难度。

（4）本发明中，采用时间片轮转算法挑选允许输出节点，同一时刻，对于同一个接收节点，只有一个发送节点得到输出允许，因此可以保证数据的正确接收，同时可以保证各个节点获取允许的公平性，且可以避免节点得不到允许而出现的“饿死”现象，方式巧妙、公平，符合实际需求。

附图说明

图1为本发明中星形拓扑的NoC架构示意图。

图2为本发明中处理单元与网络节点的具体连接架构示意图。

图3为本发明的编码架构示意图。

图4为本发明的解码架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

为了解决传统Walsh码编码方式的码字利用率低和资源浪费的问题，如图1~4所示，本发明设计了一种基于标准正交基的CDMA片上网络架构，通过使用标准正交基的编码方式有效增加了在实际应用中的适应性和灵活性，且能够节省芯片面积和功率消耗，有利于实现码分复用片上网络的成本控制。

如图1、图2所示，本发明包括多个处理单元，设置在处理单元上的网络节点接口，与网络节点接口双向连接的数据缓冲模块，与数据缓冲模块双向连接的数据收发模块，与数据收发模块双向连接、集成于一起的网络转发模块和仲裁模块。

其中，数据缓冲模块和数据收发模块构成了网络节点，由于所有处理单元均连接于同一个网络转发模块，因此本发明设计是基于星形拓扑码分复用片上网络的结构，用以实现各个处理单元之间的数据交换。本发明中，处理单元可以选用通用处理器核、DSP核、硬件加速核等。

定义进行数据发送的网络节点为发送节点，进行数据接收的网络节点为接收节点，各处理单元通过以下方式进行数据传输：

若一处理单元需要向其他处理单元发送数据，则通过与其相连的网络节点接口将待发送数据和对应的目的处理单元号（标志、目的地）发送给网络节点，由网络节点完成数据传输，即，网络节点接收到处理单元的数据发送指令后首先向仲裁模块发起输出申请，为了防止多个发送节点向同一个接收节点发送数据导致数据发生混乱，各个网络节点在发送数据之前需要先向仲裁模块进行传输申请，保证同一时刻对于一个接收节点只有一个发送节点在进行数据传输，等到传输申请得到允许之后，进行数据发送的网络节点将数据发送到网络转发模块，由网络转发模块将数据编码、融合并传输到接收节点；若网络转发模块接收到从网络节点发送来的转发数据，则按照分配给对应网络节点的正交码字对转发数据进行编码，并将编码后的数据进行异或运算来融合，最后将融合后的数据通过一条共享的信道传输到所有的接收网络节点；

若网络节点接收到处理单元的数据接收命令，则查看数据缓冲模块中是否已经准备好对应数据，若准备好，则将数据发送给处理单元，否则继续接收从网络转发模块中得到的融合数据，并对数据进行解码缓存；在网络节点向仲裁模块进行输出申请时，如果仲裁模块同时接收到多个发送节点的输出请求，则按照Round-Robin算法，即时间片轮转算法，挑选允许输出的节点，该算法可以保证同一时刻，对于同一个接收节点，只有一个发送节点得到输出允许，同时保证各个节点获取允许的公平性，可以避免节点得不到允许而出现的“饿死”现象，仲裁模块完成仲裁之后，将仲裁结果同时通知发送节点和接收节点，发送节点收到仲裁结果之后开始数据输出；接收节点得到仲裁结果之后，根据仲裁结果配置对应的接收正交码字，保证正确解码。

上述中，网络转发模块通过以下方式对数据进行编码：

首先，为每一个发送节点分配一组不同的标准正交基码字，例如：发送节点n对应着标准正交基码字n，在编码时，发送节点的原始数据按照1比特1比特的顺序进行编码，即每一比特原始数据都需要和对应的标准正交基的每一比特按位进行逻辑与运算得到编码数据，例如，若1比特原始数据经过8比特标准正交基码字逻辑与编码，会得到8比特编码之后的数据；然后，对不同发送节点的编码数据按位通过逻辑异或运算进行融合；最后，将融合后的数据传输到每一个接收节点。

接收节点通过以下方式对数据进行译码：

如图3所示，首先，接收节点根据从仲裁模块得到的发送节点仲裁信息配置对应发送节点的标准正交基码字；然后，对从网络转发模块中接收的融合数据进行译码，在译码时，按照1比特1比特的顺序，将融合数据和对应发送节点的标准正交基按位进行逻辑与运算，例如，8比特标准正交基码字将和8比特编码数据进行逻辑与运算，得到8比特解码信号；之后，将解码信号进行累加，当累加结束之后，输出的数据即为发送节点的原始数据。本发明中，优选使用累加器进行累加。

本发明的具体工作步骤如下：

步骤一：处理单元根据执行任务产生传输需要，此时，处理单元向对应连接的网络节点发出命令，若处理单元需要向其他处理单元发送数据，则向网络节点发出发送命令和目的处理单元的标识号，并且将待发送数据存入数据缓冲模块等待网络节点进行发送；若处理单元需要接收其他处理单元的数据，则向网络节点发送接收命令和目的处理单元的标识号，当网络节点把接收数据准备好并存入数据缓冲之后，处理单元则从数据缓冲模块中读取需要的数据； 

步骤二：网络节点接收命令和目的处理单元标识号之后，若为发送命令，则向仲裁模块发起输出申请，并等待仲裁模块反馈输出允许；若为接收命令，则检查是否接收到对应处理单元的数据，如果已经接收，则将数据存入数据缓冲模块，并通知处理单元读取，如果尚未接收到数据，则通知处理单元等待，同时，网络节点继续等待和接收网络转发模块中的数据，直到接收到需要的数据并存入数据缓冲模块，即激活处理单元读取；

步骤三：仲裁模块接收到输出请求，如果仲裁模块此时已经反馈了输出允许，则保持当前输出允许，并令其他所有发起输出请求的发送节点等待；如果仲裁模块此时没有反馈输出允许，则根据接收到的输出请求，按照时间片轮转算法从所有发起输出申请的发送节点中选择一个反馈输出允许，并使其他发送节点等待；同时，仲裁模块将仲裁的结果信息通知接收节点，方便接收节点进行对应的解码码字配置；

步骤四：发送节点接收到仲裁模块的输出允许之后，将数据缓冲模块中的数据按照顺序读出，并向网络转发模块发送；

步骤五：网络转发模块将收到的来自不同发送节点的数据分别和各个发送节点对应的不同标准正交基码字进行编码，编码时，将接收到的每一比特数据都和标准正交基的每一位按位进行逻辑相与操作，根据发送节点的不同，得到各自的编码数据，然后，将这些编码数据按照比特顺序进行逻辑异或操作，得到融合后的传输数据。最后，将融合后的数据按位发送到所有的接收节点；

步骤六：接收节点根据仲裁模块发送的仲裁结果获得发送节点的信息，并按照这个信息配置需要的标准正交基码字，使之可以对接收到的融合数据进行正确译码，在译码时，将接收到的融合数据按照比特顺序和配置的标准正交基码字按位进行逻辑与运算，得到解码数据，然后再使用一个累加器模块对解码数据进行累加，最后，累加器模块的输出即是发送节点的原始数据，此时接收节点便接成功收到发送节点的原始数据；

步骤七：若发送节点的原始数据还没发送完毕，则返回步骤四继续进行数据传输；若发送节点已经完成所有原始数据的发送，则表示一次完整的数据交互完成，此时返回步骤一，同时通知仲裁模块传输结束，使仲裁模块可以从其他等待的发送节点中选择新的节点进行数据传输。

为了验证本发明的实施效果，如表1所示，对本发明和现有技术所消耗的面积进行了实验验证，如表2所示，对本发明和现有技术所消耗的功率进行了验证：

表1

表2

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (9)

1.基于标准正交基的CDMA片上网络架构，其特征在于，包括集成在一起的网络转发模块和仲裁模块，分别通过网络节点与网络转发模块和仲裁模块相连的两个以上处理单元。

2.根据权利要求1所述的基于标准正交基的CDMA片上网络架构，其特征在于，所述两个以上处理单元分别连接有与网络节点相连的网络节点接口，所述网络节点包括与网络节点接口双向连接的数据缓冲模块，与数据缓冲模块双向连接的数据收发模块，所述数据收发模块与网络转发模块和仲裁模块双向连接。

3.根据权利要求2所述的基于标准正交基的CDMA片上网络架构，其特征在于，所述处理单元为通用微处理器、硬件加速核或DSP处理器。

4.基于标准正交基的CDMA片上网络架构的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在两个以上处理单元上分别设置网络节点接口，将各处理单元的网络节点接口分别通过一网络节点连接到同一个网络转发模块和仲裁模块上，且将网络转发模块与仲裁模块集成于一起；

（2）处理单元间进行数据传输时，进行数据发送的处理单元通过与其相连的网络节点接口将待传输数据和目的处理单元地址发送至与其相连的网络节点，在经过仲裁模块允许之后由网络节点将数据传输至网络转发模块进行处理，然后将经处理后的数据发送至与目的处理单元相连的网络节点，目的处理单元则通过其上的网络节点接口进行数据接收。

5.根据权利要求4所述的基于标准正交基的CDMA片上网络架构的实现方法，其特征在于，所述步骤（2）具体包括以下步骤：

（2a）与进行数据发送的处理单元相连的网络节点在接收到处理单元的数据发送指令时向仲裁模块发起输出申请； 

（2b）仲裁模块判断该时刻相应的目的处理单元是否只接收到一个数据传输请求，若是则允许网络节点将数据传输至网络转发模块进行编码和融合，之后将编码和融合后的数据传输至与目的处理单元相连的网络节点；若否则根据时间片轮转算法挑选允许输出节点，同时分别将仲裁结果发送至进行数据发送的网络节点和进行数据接收的网络节点，之后得到仲裁允许的网络节点进行数据输出，进行数据接收的网络节点根据仲裁结果配置对应的接收正交码字，并进行数据接收；

（2c）进行数据接收的网络节点接收到数据后进行译码和还原。

6.根据权利要求5所述的基于标准正交基的CDMA片上网络架构的实现方法，其特征在于，所述数据编码具体包括以下步骤：

（2d）给每一个进行数据发送的网络节点分配一组不同的标准正交基码字；

（2e）根据逻辑异或运算将进行数据发送的各网络节点的编码数据进行融合；

（2f）将融合后的数据传输至各进行数据接收的网络节点。

7.根据权利要求6所述的基于标准正交基的CDMA片上网络架构的实现方法，其特征在于，步骤（2）中，若网络转发模块接收到从网络节点发送而来的转发数据，则按照分配给相应网络节点的正交码字对转发数据进行编码，并根据异或运算将编码后的数据进行融合，之后通过共享信道将融合后的数据传输至各进行接收的网络节点。

8.根据权利要求7所述的基于标准正交基的CDMA片上网络架构的实现方法，其特征在于，所述步骤（2c）具体包括以下步骤：

（2c1）进行数据接收的网络节点根据从仲裁模块得到的仲裁信息配置相应的标准正交基码字；

（2c2）将从网络转发模块中接收到的融合数据和对应进行数据发送的网络节点的标准正交基码字按位进行逻辑与运算，得到解码数据；

（2c3）将解码后的数据进行累加，实现还原。

9.根据权利要求8所述的基于标准正交基的CDMA片上网络架构的实现方法，其特征在于，所述网络节点由与网络节点接口双向连接的数据缓冲模块，一端与数据缓冲模块双向连接、另一端与网络转发模块和仲裁模块相连的数据收发模块构成，所述处理单元进行数据接收或发送时均将待接收或待发送数据存入数据缓冲模块，再进行接收或发送处理。

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