CN108900284A - 一种片上无线网络中高效容错的无线接口 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片上无线网络中高效容错的无线接口，其特征是在无线接口发送端设置重传数据缓冲区，以减少重传数据的传输距离；采用无线确认信息组合传送的方式进行无线数据的确认；根据无线网络中的数据传输错误率采用不同强度的编码来提高无线信道的鲁棒性。本发明使用了较小的额外面积和功耗开销，高效地完成了对于片上无线数据的确认反馈，且在错误率较高时，可以保证网络中较低的网络延迟和较高的饱和吞吐量，大大提高了网络的性能。

Description

一种片上无线网络中高效容错的无线接口
技术领域
本发明属于集成电路芯片设计的应用技术领域，特别是一种片上网络中高效确认信号容错的无线接口。
背景技术
20世纪50年代以来，半导体技术快速发展，芯片的制程工艺不断进步，预计到2028年，MOS晶体管的栅极长度将由现今的16nm降低到1nm。同时，芯片上集成的核的数量呈迅速上升趋势，例如Intel的至强融核处理器已经提升到72核的规模。片上集成核数目的增加对片上网络(Network on Chip，NoC)的通信提出更高的要求。传统平面金属互连的NoC由于跳数多等问题所引发的高功耗，高延迟等问题，无法再满足片上通信的需求。为了弥补传统金属互连的性能瓶颈，已有提出三维集成电路(3D IC)、光(Optical)互连、射频(RadioFrequency，RF)互连以及无线片上网络(Wireless Network-on-Chip，WiNoC)。其中3D IC和CMOS具有兼容的特性，且有更短的垂直链路，但是由于制造技术以及散热问题，其实际应用还处于起步阶段。光互连需要进行光子和电子的转化，具有较高的设计复杂性，而且功率高，面积开销大，延迟较高。RF互连具有较小的面积开销，较低的功耗等优点，但是其实现依赖于传输对之间的对齐，具有较高的制造难度。WiNoC采用无线天线以及无线数据收发器，构成一种有线和无线混合的片上网络，该技术在功耗和延迟等方面具有较好的表现。
尽管WiNoC兼有由无线数据传输捷径而获得的全局性能优势以及有线传输所具备的低功耗、低面积开销优势，但是无线通信架构也带来了高错误率等缺陷，使得WiNoC的整体可靠性有所下降。传统的金属互连导线的比特错误率(Bit Error Rate，BER)大约为10-14，远低于通过毫米波传输的比特错误率(大约为10-7)，容易形成故障热点从而影响网络的整体性能。同时随着传输距离的增加，毫米波在传输过程中会出现较快的能量衰减，无线信号损耗严重。另外，无线信道极易受到外界环境的影响和破坏，随着芯片的老化，比特错误率也会有显著的增加。
一般采用冗余来保证数据在WiNoC中可靠传输。传统NoC结构的节点间检错策略是在每一对节点之间加入了额外的检测模块，在发现故障时可以通知源节点进行数据重传，但是这种策略具有较高的面积开销，而且在多故障的情况下会产生大量的重传数据包，从而影响了网络吞吐率。已有采用基于节点间检测重传的策略，其策略减少了重传的数据包数量，跳到跳的检测重传保证了数据传输的可靠性，但是每个端口的检测重传模块也会带来大量的面积开销。已有一种基于传统mesh结构NoC自适应擦除(RAS)的容错策略，是采用多层错误校正和检测方案，提出一种故障定位的动态方法，并根据需求自适应故障覆盖范围，但是这种策略只能适用于小规模的传统NoC，在较大规模的NoC中具有较高的延迟。也有提出WiNoC的错误控制编码(Error control code，ECC)，通过在无线链路中采用交叉的汉明码，在有线链路中采用联合串扰避免三重纠错和四路并行错误检测码(JTEC-SQED)，但是这种无线检测纠错方法需要等待整个数据包的传输完成才能进行，具有较高的延迟和缓存面积开销。还有对ECC方案进行改进，利用多个无线节点可以同时接收数据的特性，源无线节点接收中间无线节点转发给目的无线节点的数据，与自身重传缓冲区内的数据比对来判断数据传输是否发生了错误，但是该方法仅适用于需要无线多跳存储转发的无线网络，对于一跳可达的毫米波无线网络来说占用了大量的天线和无线接口的面积开销，同时也增加了传输的延迟。以上已有技术均采用数据冗余和路径冗余等方式进行数据容错，共同存在以下问题：一是其对于无线信道中数据包的确认信息反馈，未能利用无线信道广播的特点采取任何优化设计；二是随着网络规模的扩大，如果通过无线信道进行传输的数据在目的节点附近发生错误，那么请求从源节点重新发送数据需要传回故障信息给源节点，然后再进行数据重新传输，所需要的时间周期较长，占用大量的网络资源；三是无线节点作为WiNoC的重要节点，承载着大量的数据传输任务，数据错误所导致的大量数据重传会严重影响无线节点的传输效率，甚至会导致拥塞等问题，大大降低网络性能。
发明内容
本发明是为了避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种无线片上网络容错无线接口，充分利用无线信道的广播特点，提高无线确认数据的传输效率；设立重传缓冲区，大幅降低重传开销；其无线信道采用动态编码技术，提高数据传输正确率，改善网络性能。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明片上无线网络中高效容错的无线接口的特点是：在无线接口发送端设置重传数据缓冲区，以减少重传数据的传输距离；采用无线确认信息组合传送的方式进行无线数据的确认；根据无线网络中的数据传输错误率采用不同强度的编码来提高无线信道的鲁棒性。
本发明片上无线网络中高效容错的无线接口的特点也在于：所述无线接口按如下方式进行数据传输：
步骤a、在任一无线接口A获得传输令牌时，检查上一令牌传递周期中片上无线网络中所有无线数据的被接收情况，获得数据传输确认信息，所述无线数据的被接收情况是指网络中所有无线接口所发送的数据被相应无线接口所接收的正确性情况，所述数据传输确认信息包括无线接口A所在节点在上一令牌传递周期中所传输数据的被接收情况，依此判断无线接口A传输数据的正确性；
若片上无线网络中的数据传输错误率超过设定比率，则进入步骤b；若网络中存在有数据传输错误，但未超过达到设定比率，则进入步骤c；若网络中的数据传输全部正确，则进入步骤d；
步骤b、将无线接口A中的每个传输数据按原数据位数平均分成两段，获得两个分段数据，采用BCH码对所述两个分段数据分别进行编码，获得两个与原数据位数相等的编码数据，随后进入步骤c；
步骤c、根据针对无线接口A传输数据的正确性的判断，若是：在无线接口A数据传输中存在错误，则重新传输上一个令牌周期中无线接口A的错误传输数据，随后进入步骤d；若否，则直接进入步骤d；
步骤d、若是：在无线接口A没有当前需要传输的数据则进入步骤e；若否，则在完成无线接口A的错误传输数据的重新传输之后，利用剩余的传输时间传输当前需要传输的数据，并保留最后一个传输周期用于传输无线接口A接收到数据传输确认信息，进入步骤e；
步骤e、用一个传输周期传输无线接口A对一个令牌传递周期内接收到数据传输确认信息，完成无线接口A的数据传输；
步骤f、将传输令牌交给下一个无线接口，并按步骤a-步骤e相同的方式完成所有无线接口中的数据传输。
本发明片上无线网络中高效容错的无线接口的特点也在于：在无线接口发送端设置重传数据缓冲区，当无线接口A向网络中其他无线接口发送当前需要传输的数据时，无线接口A同时将发送的数据按照设定顺序进行缓存备份，在下一个令牌周期中根据这一令牌传递周期中片上无线网络中所有数据传输确认信息，选择无线接口A重传数据缓冲区中相应的数据进行重传。
本发明片上无线网络中高效容错的无线接口的特点也在于：片上网络中所有无线接口，均采用无线确认信息组合传送的方式进行无线数据的确认，所述无线确认信息组合传送是指当无线接口A获得传输令牌时，将无线接口A在一个令牌传递周期中通过无线所接收数据的确认信息进行组合，获得无线接口A的确认信息数据包，在A获得传输令牌的最后一个传输周期将无线接口A的确认信息数据包通过广播的形式传输给网络中其它无线接口。
本发明片上无线网络中高效容错的无线接口的特点也在于：当无线接口A完成对无线接口A的确认信息数据包的传输后，即结束无线接口A对无线信道的占用，将传输令牌传递给下一个无线接口。
本发明片上无线网络中高效容错的无线接口的特点也在于：网络中各无线接口随时接收由其它无线接口传输的确认信息数据包，在各无线接口中分别设置有寄存器，所述寄存器用于标识一个令牌传递周期内所有无线数据传输的确认信息，所述无线数据传输的确认信息能够用来判断网络状态。
与已有技术相比，本发明效果体现在：
1、本发明利用无线传输的特点，将多个数据包的确认信息合成为一个数据包，节约了确认信号的传输时间，提高了无线信道中的数据传输效率。
2、本发明在无线接口处设立重传数据缓冲区，在数据传输发生错误时，可以在无线接口中读取数据缓冲区，对错误数据直接进行重传，大大减少了重传数据的传输延迟，节约网络资源，降低了网络负载。
3、本发明设计了根据网络状态进行自适应控制数据编解码的模块，在网络情况较差时，提高无线数据的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明中无线接口总体架构图；
图2是本发明中确认数据包生成模块内部逻辑结构示意图；
图3是本发明中优先发送仲裁模块内部逻辑结构示意图；
图4是本发明中编码控制模块及编码模块内部逻辑结构图；
具体实施方式
本实施例中片上无线网络中高效容错的无线接口采用无线确认信息组合传送的方式进行无线数据的确认；在无线接口发送端设置重传数据缓冲区，以减少重传数据的传输距离；根据无线网络中的数据传输错误率采用不同强度的编码来提高无线信道的鲁棒性。
本实施例中无线接口按如下方式进行数据传输：
步骤a、在任一无线接口A获得传输令牌时，检查上一令牌传递周期中片上无线网络中所有无线数据的被接收情况，获得数据传输确认信息，令牌传递周期是指传输令牌在所有无线接口之间按序传递一个周期所使用的时间，无线数据的被接收情况是指：在无线接口A获得传输令牌前的一个令牌传递周期中，即无线接口A从上次获得传输令牌到本次获得传输令牌的这段时间，网络中所有无线接口所发送的数据被相应无线接口所接收的正确性情况，数据传输确认信息包括无线接口A所在节点在上一令牌传递周期中所传输数据的被接收情况，依此判断无线接口A传输数据的正确性。
根据不同网络的需要，考虑流量模型、拓扑结构等因素，权衡网络性能，为数据传输错误率设定比率，若片上无线网络中的数据传输错误率超过设定比率，则进入步骤b；若网络中存在有数据传输错误，但未超过达到设定比率，则进入步骤c；若网络中的数据传输全部正确，则进入步骤d。
步骤b、将无线接口A中的每个传输数据按原数据位数平均分成两段，获得两个分段数据，采用BCH码对两个分段数据分别进行编码，获得两个与原数据位数相等的编码数据，随后进入步骤c。
步骤c、根据针对无线接口A传输数据的正确性的判断，若是：在无线接口A数据传输中存在错误，则重新传输上一个令牌周期中无线接口A的错误传输数据，随后进入步骤d，令牌周期是指是指无线接口A上一次获得传输令牌到上次结束数据传输并将传输令牌传递给下一个无线接口之间的时间；若否，则直接进入步骤d。
步骤d、若是：在无线接口A没有当前需要传输的数据则进入步骤e；若否，则在完成无线接口A的错误传输数据的重新传输之后，利用剩余的传输时间传输当前需要传输的数据，并保留最后一个传输周期用于传输无线接口A接收到数据传输确认信息，进入步骤e，数据传输确认信息是指一个令牌传递周期内无线接口接收到由其他无线接口发送到该无线接口的数据的正确性的确认。
步骤e、用一个传输周期传输无线接口A对一个令牌传递周期内接收到数据传输确认信息，完成无线接口A的数据传输。
步骤f、将传输令牌交给下一个无线接口，并按步骤a-步骤e相同的方式完成所有无线接口中的数据传输。
具体实施中，相应的措施也包括：
在无线接口发送端设置重传数据缓冲区，当无线接口A向网络中其他无线接口发送当前需要传输的数据时，无线接口A同时将发送的数据按照设定顺序进行缓存备份，在下一个令牌周期中根据这一令牌传递周期中片上无线网络中所有数据传输确认信息，选择无线接口A重传数据缓冲区中相应的数据进行重传。
片上网络中所有无线接口均采用无线确认信息组合传送的方式进行无线数据的确认，无线确认信息组合传送是指当无线接口A获得传输令牌时，将无线接口A在一个令牌传递周期中通过无线所接收数据的确认信息进行组合，获得无线接口A的确认信息数据包，在A获得传输令牌的最后一个传输周期将无线接口A的确认信息数据包通过广播的形式传输给网络中其它无线接口。
当无线接口A完成对无线接口A的确认信息数据包的传输后，即结束无线接口A对无线信道的占用，将传输令牌传递给下一个无线接口。
网络中各无线接口随时接收由其它无线接口传输的确认信息数据包，在各无线接口中分别设置有寄存器，寄存器用于标识一个令牌传递周期内所有无线数据传输的确认信息，无线数据传输的确认信息能够用来判断网络状态。
传统无线接口分为发送端(Transmitter，TX)和接收端(Receiver，RX)。TX由发送数据缓冲区(Transmit Data Buffer，TDB)、串行化器、调制器、功率放大器和片上天线组成；RX由片上天线、低噪声放大器，解调器，解串行化器和接收数据缓冲区(Receive DataBuffer，RDB)组成。在发送的过程中，数据首先存放在发送数据缓冲区TDB中，串行化器将发送数据缓冲区TDB中的数据串行化，调制器将低频信号调制为易于载波传输的高频信号，功率放大器将信号功率放大以使其可以通过天线进行传输。接收过程是发送过程的逆过程。
如图1所示为本发明无线接口示意图，其在无线接口中添加了确认数据包生成模块、优先发送仲裁模块、编码控制模块，在TX端添加了编码器、重传缓冲区(RetransmissionBuffer，RB)和确认信息数据包缓冲区(Acknowledge Package Buffer，AB)，RX端添加了解码器。确认数据包生成模块根据RX端接收到的正确数据包来产生对应的确认ACK数据包，并将其存储到确认信息数据包缓冲区AB中。优先发送仲裁模块根据其接收的ACK信息对TX端的数据发送进行仲裁，如果上一个发送时间片发送的数据没有返回的ACK信息，则将RB中存储的对应的数据进行重传，并发送AB中存储的ACK数据包；若有返回的ACK信息，则将对应RB中存储的数据丢弃，发送TDB中存储的数据，同时将数据备份至RB中，再发送AB中存储的ACK数据包。另外，优先发送仲裁模块还根据接收到的ACK信息判断当前的无线网络状态，给编码控制模块发送控制信号，使编码控制模块在无线信道可靠性较差的时候对发送和接收的数据进行编解码来增强无线信道的鲁棒性。
如图2所示是本发明中确认数据包生成模块内部逻辑结构示意图，RX接收的每条Data数据为基础32bit的Flit加上4bit源WR的ID号WR_id，APG从接收到的正确数据中提取WR_id。同时根据令牌的传递以及无线传输的时间周期生成ACK数据包。ACK数据包有36位，其中4位为ACK消息标志位Ack_F，后面32位分8组各4位分别对应不同的源WR，组中的每一位依次对应每个传输周期。例如，若接收到的正确数据是0号WR在第三个传输周期所发送的数据，则将F_02置为1，如果又接收到正确数据是在6号WR在第一个传输周期所发送的数据，那么将F_60置为1。当该APG所在WR获得令牌，即可由该WR发送数据时，将所生成的ACK数据包存储至AB。
如图3所示是本发明中的优先发送仲裁模块内部逻辑结构示意图，以从TX接收的ACK数据包中除Ack_F的其他32位信息为32位D触发器组的触发信号，对应位线为上升沿时(该位为ACK)将高电平(VCC)锁存于触发器中，当该优先发送仲裁模块所在WR获得令牌时，将该触发器组锁存的ACK信息发送到ACK信号控制单元，ACK信号控制单元根据所在WR提取相应的ACK信号，控制RB、AB、TDB的输出。若RB中所有对应位均获得ACK，则抛弃RB中对应buffer所存储的数据，将TDB的数据进行传输，同时存储到RB相应的buffer中；若RB对应的各位均没有获得ACK信号，则控制RB重传；若RB对应部分位获得ACK，则将没有获得ACK的数据重传，然后发送TDB中存储的数据，并将其备份至RB。若TDB中为空，则直接发送AB中的本地ACK数据包。另外，如果对应的WR的各位均没有收到ACK信息，证明此时无线网络状态较差，由ACK信号控制单元控制编码控制模块进行编解码，提高数据的容错能力。
如图4所示是本发明中编码控制模块及编码模块内部逻辑结构示意图，编码控制模块主要负责对于编解码模块的控制。当优先发送仲裁模块要求编码控制模块进行编解码的时候，编码控制模块控制(72,36)BCH编解码模块对数据进行编解码(可纠正多个独立的差错)。本文在TX端采用BCH编码模块。在优先发送仲裁模块要求编码控制模块进行编解码时，将36bit的数据扩展为72bit，并存入两个36bit的缓冲区，将两个缓冲区里的数据分别在两个传输周期内进行发送，此时每个令牌时间内只能传递两个数据(分别为一个数据flit以及一条ACK信息)。在RX端设置BCH解码模块，将两个传输周期内接收的数据同时传入解码器，对其解码并还原为原始数据输出。当优先发送仲裁模块没有接收到编码控制模块进行编解码的请求指令，数据通过编码控制模块控制的多路选择器直接输出。

Claims (6)

1.一种片上无线网络中高效容错的无线接口，其特征是在无线接口发送端设置重传数据缓冲区，以减少重传数据的传输距离；采用无线确认信息组合传送的方式进行无线数据的确认；根据无线网络中的数据传输错误率采用不同强度的编码来提高无线信道的鲁棒性。
2.根据权利要求1所述的片上无线网络中高效容错的无线接口，其特征是所述无线接口按如下方式进行数据传输：
步骤a、在任一无线接口A获得传输令牌时，检查上一令牌传递周期中片上无线网络中所有无线数据的被接收情况，获得数据传输确认信息，所述无线数据的被接收情况是指网络中所有无线接口所发送的数据被相应无线接口所接收的正确性情况，所述数据传输确认信息包括无线接口A所在节点在上一令牌传递周期中所传输数据的被接收情况，依此判断无线接口A传输数据的正确性；
若片上无线网络中的数据传输错误率超过设定比率，则进入步骤b；若网络中存在有数据传输错误，但未超过达到设定比率，则进入步骤c；若网络中的数据传输全部正确，则进入步骤d；
步骤b、将无线接口A中的每个传输数据按原数据位数平均分成两段，获得两个分段数据，采用BCH码对所述两个分段数据分别进行编码，获得两个与原数据位数相等的编码数据，随后进入步骤c；
步骤c、根据针对无线接口A传输数据的正确性的判断，若是：在无线接口A数据传输中存在错误，则重新传输上一个令牌周期中无线接口A的错误传输数据，随后进入步骤d；若否，则直接进入步骤d；
步骤d、若是：在无线接口A没有当前需要传输的数据则进入步骤e；若否，则在完成无线接口A的错误传输数据的重新传输之后，利用剩余的传输时间传输当前需要传输的数据，并保留最后一个传输周期用于传输无线接口A接收到数据传输确认信息，进入步骤e；
步骤e、用一个传输周期传输无线接口A对一个令牌传递周期内接收到数据传输确认信息，完成无线接口A的数据传输；
步骤f、将传输令牌交给下一个无线接口，并按步骤a-步骤e相同的方式完成所有无线接口中的数据传输。
3.根据权利要求2所述的片上无线网络中高效容错的无线接口，其特征是在无线接口发送端设置重传数据缓冲区，当无线接口A向网络中其他无线接口发送当前需要传输的数据时，无线接口A同时将发送的数据按照设定顺序进行缓存备份，在下一个令牌周期中根据这一令牌传递周期中片上无线网络中所有数据传输确认信息，选择无线接口A重传数据缓冲区中相应的数据进行重传。
4.根据权利要求2所述的片上无线网络中高效容错的无线接口，其特征是片上网络中所有无线接口，均采用无线确认信息组合传送的方式进行无线数据的确认，所述无线确认信息组合传送是指当无线接口A获得传输令牌时，将无线接口A在一个令牌传递周期中通过无线所接收数据的确认信息进行组合，获得无线接口A的确认信息数据包，在A获得传输令牌的最后一个传输周期将无线接口A的确认信息数据包通过广播的形式传输给网络中其它无线接口。
5.根据权利要求4所述的片上无线网络中高效容错的无线接口，其特征是当无线接口A完成对无线接口A的确认信息数据包的传输后，即结束无线接口A对无线信道的占用，将传输令牌传递给下一个无线接口。
6.根据权利要求4所述的片上无线网络中高效容错的无线接口，其特征是网络中各无线接口随时接收由其它无线接口传输的确认信息数据包，在各无线接口中分别设置有寄存器，所述寄存器用于标识一个令牌传递周期内所有无线数据传输的确认信息，所述无线数据传输的确认信息能够用来判断网络状态。
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