低延遲無緩存?zhèn)鬏斉c控制分離的片上網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、先進微電子與半導體工藝技術(shù)極大地提升了晶體管翻轉(zhuǎn)速度，降低了門延時，但是芯片中全局線時延導致的信號傳輸與功耗問題卻變得越來越糟糕。由于當前的微處理器體系結(jié)構(gòu)決定著芯片中導線必須連接芯片上的每一個功能單元，因而，互連線延時成為阻礙芯片性能提升的關(guān)鍵因素。同時，單一芯片上可集成的處理器核和各種功能模塊的數(shù)量持續(xù)增加，現(xiàn)有的微處理器體系結(jié)構(gòu)不再具備解決片上多處理器芯片系統(tǒng)所需的能力?；诨ミB流水思想的片上網(wǎng)絡（Network on-Chip，

2、NoC）的體系結(jié)構(gòu)是一種理想的解決方案，它將不可預測全局線時延轉(zhuǎn)變可控的事件延遲?；谄暇W(wǎng)絡的系統(tǒng)將以計算為中心的系統(tǒng)設計方法轉(zhuǎn)變到以通信為中心的系統(tǒng)設計方法上來，為片上多處理器核系統(tǒng)提供高性能的通信與數(shù)據(jù)傳輸。
　　 網(wǎng)格型結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、多環(huán)形結(jié)構(gòu)等是當前應用和研究較多幾種片上網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。作為一個前沿性的研究領域，片上網(wǎng)絡在它的拓撲結(jié)構(gòu)、應用開發(fā)、系統(tǒng)平臺及其開發(fā)工具設計等方面還有許多的課題值得深入地開展研究，比如EDA

3、設計工具、操作系統(tǒng)、實現(xiàn)成本、網(wǎng)絡延遲、緩存策略、網(wǎng)絡擁塞、死鎖，以及網(wǎng)絡熱點等問題。且現(xiàn)有的片上網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)中，交換節(jié)點是最基本組成單元，它承擔著片上網(wǎng)絡除物理層之外的全部功能，所以它的功能繁瑣、結(jié)構(gòu)復雜、實現(xiàn)成本較高，數(shù)據(jù)傳輸在節(jié)點內(nèi)的延遲也較長。這種結(jié)構(gòu)不僅阻礙了片上網(wǎng)絡性能的提升，且大量的內(nèi)置緩存也大大增加芯片的實現(xiàn)成本。
　　 基于上述分析，本文提出一種新型的片上網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：傳輸與控制分離的片上網(wǎng)絡 S-mesh?；?/p>

4、于S-mesh系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，其片上通信網(wǎng)絡采用電路交換方式，而處于網(wǎng)絡外部邊緣設備如資源節(jié)點則采用報文分組交換方式。S-mesh片上網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包含兩個子網(wǎng)：基于2D-mesh的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和基于Butterfly的控制網(wǎng)絡。S-mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與其他幾種網(wǎng)絡拓撲的區(qū)別主要有兩點。第一：S-mesh網(wǎng)絡的交換節(jié)點不再承擔傳輸層功能，網(wǎng)絡層功能。第二：設置網(wǎng)絡管理單元，實現(xiàn)系統(tǒng)的資源管理、路由決策以及流量控制等功能。本文的研究工作主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡

5、的拓撲結(jié)構(gòu)、無緩存的交換節(jié)點結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡的流量控制、以及系統(tǒng)的路由算法等幾個方面。
　　 在網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)方面，采用傳輸與控制分離的體系結(jié)構(gòu)以精簡交換節(jié)點功能，構(gòu)建低延遲的片上通信網(wǎng)絡。其次，采用無緩存的交換節(jié)點結(jié)構(gòu)來減少緩存容量、降低芯片實現(xiàn)成本，使報文在交換節(jié)點傳輸延遲縮減為一個時鐘周期?；谧疃搪酚珊湍繕蓑?qū)動的S-mesh路由算法為網(wǎng)絡中傳輸進程確定最優(yōu)路由路徑，并與系統(tǒng)三級流量控制策略一起，為S-mesh網(wǎng)絡擁塞和死鎖等現(xiàn)

6、象的解決奠定了基礎。最后采用旁路網(wǎng)絡的BS-mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)來優(yōu)化網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點的通信性能。
　　 結(jié)果表明，S-mesh網(wǎng)絡具備很強的處理能力，其控制網(wǎng)絡的峰值處理能力可達2425 MIPS；傳輸與控制分離的體系結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡資源統(tǒng)一管理，避免了網(wǎng)絡擁塞和死鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生；而無緩存的交換節(jié)點結(jié)構(gòu)使芯片具有更低實現(xiàn)成本，更高的對分帶寬，單交換節(jié)點最高可提供23.5GB/s數(shù)據(jù)傳輸帶寬，在4×4的S-mesh結(jié)構(gòu)中，對分帶寬最高為37.