低延遲無(wú)緩存?zhèn)鬏斉c控制分離的片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究.pdf

1、先進(jìn)微電子與半導(dǎo)體工藝技術(shù)極大地提升了晶體管翻轉(zhuǎn)速度，降低了門(mén)延時(shí)，但是芯片中全局線時(shí)延導(dǎo)致的信號(hào)傳輸與功耗問(wèn)題卻變得越來(lái)越糟糕。由于當(dāng)前的微處理器體系結(jié)構(gòu)決定著芯片中導(dǎo)線必須連接芯片上的每一個(gè)功能單元，因而，互連線延時(shí)成為阻礙芯片性能提升的關(guān)鍵因素。同時(shí)，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。基于互連流水思想的片上網(wǎng)絡(luò)（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(yù)測(cè)全局線時(shí)延轉(zhuǎn)變可控的事件延遲?；谄暇W(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)將以計(jì)算為中心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變到以通信為中心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法上來(lái)，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(shù)形結(jié)構(gòu)、多環(huán)形結(jié)構(gòu)等是當(dāng)前應(yīng)用和研究較多幾種片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。作為一個(gè)前沿性的研究領(lǐng)域，片上網(wǎng)絡(luò)在它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)平臺(tái)及其開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)等方面還有許多的課題值得深入地開(kāi)展研究，比如EDA

3、設(shè)計(jì)工具、操作系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)成本、網(wǎng)絡(luò)延遲、緩存策略、網(wǎng)絡(luò)擁塞、死鎖，以及網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)等問(wèn)題。且現(xiàn)有的片上網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，交換節(jié)點(diǎn)是最基本組成單元，它承擔(dān)著片上網(wǎng)絡(luò)除物理層之外的全部功能，所以它的功能繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)成本較高，數(shù)據(jù)傳輸在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的延遲也較長(zhǎng)。這種結(jié)構(gòu)不僅阻礙了片上網(wǎng)絡(luò)性能的提升，且大量的內(nèi)置緩存也大大增加芯片的實(shí)現(xiàn)成本。
　　 基于上述分析，本文提出一種新型的片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：傳輸與控制分離的片上網(wǎng)絡(luò) S-mesh?；?/p>

4、于S-mesh系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，其片上通信網(wǎng)絡(luò)采用電路交換方式，而處于網(wǎng)絡(luò)外部邊緣設(shè)備如資源節(jié)點(diǎn)則采用報(bào)文分組交換方式。S-mesh片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)子網(wǎng)：基于2D-mesh的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和基于Butterfly的控制網(wǎng)絡(luò)。S-mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與其他幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膮^(qū)別主要有兩點(diǎn)。第一：S-mesh網(wǎng)絡(luò)的交換節(jié)點(diǎn)不再承擔(dān)傳輸層功能，網(wǎng)絡(luò)層功能。第二：設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理單元，實(shí)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(luò)

5、的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無(wú)緩存的交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)的流量控制、以及系統(tǒng)的路由算法等幾個(gè)方面。
　　 在網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，采用傳輸與控制分離的體系結(jié)構(gòu)以精簡(jiǎn)交換節(jié)點(diǎn)功能，構(gòu)建低延遲的片上通信網(wǎng)絡(luò)。其次，采用無(wú)緩存的交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)減少緩存容量、降低芯片實(shí)現(xiàn)成本，使報(bào)文在交換節(jié)點(diǎn)傳輸延遲縮減為一個(gè)時(shí)鐘周期。基于最短路由和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的S-mesh路由算法為網(wǎng)絡(luò)中傳輸進(jìn)程確定最優(yōu)路由路徑，并與系統(tǒng)三級(jí)流量控制策略一起，為S-mesh網(wǎng)絡(luò)擁塞和死鎖等現(xiàn)

6、象的解決奠定了基礎(chǔ)。最后采用旁路網(wǎng)絡(luò)的BS-mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點(diǎn)的通信性能。
　　 結(jié)果表明，S-mesh網(wǎng)絡(luò)具備很強(qiáng)的處理能力，其控制網(wǎng)絡(luò)的峰值處理能力可達(dá)2425 MIPS；傳輸與控制分離的體系結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一管理，避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞和死鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生；而無(wú)緩存的交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)使芯片具有更低實(shí)現(xiàn)成本，更高的對(duì)分帶寬，單交換節(jié)點(diǎn)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(duì)分帶寬最高為37.