片上網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析研究(圖文)

1、片上網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析研究（圖文）論文導(dǎo)讀：片上網(wǎng)絡(luò)（NetworkonChip,簡稱NoC）,NoC是指在單芯片上集成大量的計算資源以及連接這些資源的片上通信網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)于芯片中的微型網(wǎng)絡(luò)，屬于計算機網(wǎng)絡(luò)，又與傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)有很大差異。拓撲結(jié)構(gòu)是片上網(wǎng)絡(luò)各模塊連接的框架，決定網(wǎng)絡(luò)的潛在最優(yōu)性能，路由器結(jié)構(gòu)的調(diào)度策略與流控機制決定數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率，拓撲結(jié)構(gòu)與路由器結(jié)構(gòu)是片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最重要的兩個部分。由于芯片上資源和面積的限制，原來并行計算中的拓撲以及對應(yīng)的路由算法需要進行一些修正以滿足現(xiàn)在片上網(wǎng)絡(luò)的要求。關(guān)鍵詞：片上網(wǎng)絡(luò)，拓撲結(jié)構(gòu)，路由算法0引言片上網(wǎng)絡(luò)（NetworkonChip,簡稱

2、NoC）,NoC是指在單芯片上集成大量的計算資源以及連接這些資源的片上通信網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)于芯片中的微型網(wǎng)絡(luò)，屬于計算機網(wǎng)絡(luò)，又與傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)有很大差異。晶體管工藝集成度的快速提高引起了片上網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的興起。片上網(wǎng)絡(luò)提供模塊化、可擴展的、高帶寬低延時的片上互聯(lián)結(jié)構(gòu)，是單片多處理器以及其他片上系統(tǒng)實現(xiàn)片上通信的重要選擇。片上網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計可以參照傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法與流程，但限于有限的片上資源，設(shè)計時要考慮更多的開銷限制，因此其設(shè)計過程又與傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)有很多差異。發(fā)表論文。因此片上網(wǎng)絡(luò)研究需要進行更加細致的權(quán)衡考慮，針對帶寬、延時、功耗、面積等性能標準進行優(yōu)化設(shè)

3、計，為實現(xiàn)高性能片上系統(tǒng)提供高效的通信支持。拓撲結(jié)構(gòu)是片上網(wǎng)絡(luò)各模塊連接的框架,決定網(wǎng)絡(luò)的潛在最優(yōu)性能，路由器結(jié)構(gòu)的調(diào)度策略與流控機制決定數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率，拓撲結(jié)構(gòu)與路由器結(jié)構(gòu)是片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最重要的兩個部分。片上網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)研究是片上網(wǎng)絡(luò)研究的一個重要的方向。早期的片上網(wǎng)絡(luò)拓撲研究主要是借鑒并行計算中的互聯(lián)拓撲。在并行計算中,每一個節(jié)點對應(yīng)了一個處理器核；各個處理器核通過路由器相互連接形成了一個板級的計算網(wǎng)絡(luò)。而在片上網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)是芯片級的。由于芯片上資源和面積的限制，原來并行計算中的拓撲以及對應(yīng)的路由算法需要進行一些修正以滿足現(xiàn)在片上網(wǎng)絡(luò)的要求。片上網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)研究主要包括了網(wǎng)絡(luò)拓撲

4、以及路由算法兩個方面。網(wǎng)絡(luò)拓撲規(guī)定了片上網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的連接方式；而路由算法表明了在所規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)拓撲中數(shù)據(jù)包的傳遞方式。本文探討了片上網(wǎng)絡(luò)拓撲及其相關(guān)內(nèi)容,闡述了二維網(wǎng)絡(luò)2DMesh、二維環(huán)繞2DTorus這兩種經(jīng)典的片上網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的路由算法。INoC拓撲結(jié)構(gòu)簡介在NoC的定義中，狹義的NoC定義指的就是除了資源節(jié)點以外的通訊節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，包括交換開關(guān)、交換開關(guān)之間的連接方式以及NoC通訊的協(xié)議模型。簡單的說，狹義的NoC就只是一個網(wǎng)，但是也必須具備完整的網(wǎng)的功能：如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通訊協(xié)議等。它體現(xiàn)了NoC中通訊節(jié)點是如何分布和連接的。由于系統(tǒng)需求、節(jié)點模式的尺寸和不同的位置，需要不同類型的

5、拓撲結(jié)構(gòu)。自上個世紀90年代末片上網(wǎng)絡(luò)的概念被提出以來，片上網(wǎng)絡(luò)各方面的研究都在迅速進行中。片上網(wǎng)絡(luò)的提出最早是借鑒并行計算機的互連網(wǎng)絡(luò)，所以片上網(wǎng)絡(luò)與并行計算機網(wǎng)絡(luò)有很多的相同點。片上網(wǎng)絡(luò)是一個芯片上的網(wǎng)絡(luò)，特別是在路由算法方面，幾乎所有的片上網(wǎng)絡(luò)路由算法都在并行計算機網(wǎng)絡(luò)中找得到它對應(yīng)的算法。但是它們又有一些不同，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：片上路由器結(jié)構(gòu)簡單，不宜采用較復(fù)雜的路由算法：由于面積所限，片上路由器都是由較簡單的邏輯元件組成的。所以,片上網(wǎng)絡(luò)所采用的路由算法通常都為較簡單。而較復(fù)雜的路由算法,類似于并行機中的靜態(tài)維數(shù)翻轉(zhuǎn)自適應(yīng)算法和動態(tài)維數(shù)翻轉(zhuǎn)自適應(yīng)算法，雖然可以取得較好的路由性能

6、，但是由于片上網(wǎng)絡(luò)的資源所限,一般都沒有采用。(2)片上網(wǎng)絡(luò)緩存資源有限：片上網(wǎng)絡(luò)中緩存是最寶貴的資源。片上路由器的緩存通常都很小，過多的使用存儲資源雖然能在很大程度上提高NoC性能，但是其面積和功率消耗會非常巨大。發(fā)表論文。因此，一般對緩存要求比較高的路由仲裁機制，也僅僅在理論分析時用到，而在實際設(shè)計時很少采用。片上網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：與并行機不同，片上網(wǎng)絡(luò)中沒有專門的協(xié)議處理機，所有的協(xié)議都必須由硬件處理，這就要求片上網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能太復(fù)雜。這樣，許多在并行機中采用的較復(fù)雜協(xié)議，在片上網(wǎng)絡(luò)中都不能使用。所以NoC中，通常要求路由算法能保證數(shù)據(jù)包完整、無損、有序的投遞。可以看出，上面的三點差異

7、都是由片上網(wǎng)絡(luò)本身的特點造成的。正是由于片上網(wǎng)絡(luò)與并行機網(wǎng)絡(luò)存在這些差異，所以有必要單獨的整理和總結(jié)片上網(wǎng)絡(luò)中的拓撲結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的路由算法。片上網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以由以下兩個方面來定義：網(wǎng)絡(luò)拓撲和協(xié)議。拓撲主要包括節(jié)點的布局以及它們之間的互連；協(xié)議主要定義這些節(jié)點與鏈路是怎么工作的,這里主要是指路由技術(shù)。下面我們將說明片上網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，并敘述針對不同拓撲的路由技術(shù)。2片上網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)所謂的NoC拓撲結(jié)構(gòu)就是指NoC中各個節(jié)點之間的相互連接方式。NoC的拓撲在NoC體系結(jié)構(gòu)中是十分重要的一個部分，它通常決定了片上網(wǎng)絡(luò)中所采用的路由方式，仲裁算法以及IP資源的分布。因此這一部分是我們研究的一個重點內(nèi)容

8、。通常NoC拓撲結(jié)構(gòu)可以分為兩大類，一類是直接型網(wǎng)絡(luò)拓撲，另一類是間接型網(wǎng)絡(luò)拓撲。2.1 直接型網(wǎng)絡(luò)在直接網(wǎng)絡(luò)中，各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過直接鏈路相互互聯(lián)在一起。常見的直接型拓撲包括網(wǎng)狀拓撲（Mesh）、花托拓撲（Torus）以及超立方體結(jié)構(gòu)等。基于目前的技術(shù)水平和應(yīng)用需求情況，本論文以直接型拓撲結(jié)構(gòu)為主要的研究對象。接下來將詳細的介紹兩種經(jīng)典直接型拓撲結(jié)構(gòu)：2DMesh結(jié)構(gòu)、2DTorus結(jié)構(gòu)。2.1.1 二維網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（2DMesh）二維網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是目前研究中最常用的拓撲結(jié)構(gòu)。發(fā)表論文。其結(jié)構(gòu)是每一個資源與一個通訊節(jié)點相連，而一個通訊節(jié)點與四個相鄰的通訊節(jié)點和一個資源相連。通訊節(jié)點實現(xiàn)路由功能，并作為

9、每個相鄰的資源節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)接口。圖13x3的2DMesh結(jié)構(gòu)2DMesh結(jié)構(gòu)作為一種最簡單、最直觀的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1。每個節(jié)點連接著一個資源和四個相鄰的路由器，每個資源通過一個網(wǎng)絡(luò)接口(NI)連接著一個路由器。其中的資源，可以是一個處理器核，內(nèi)存，一個用戶自定義硬件模塊或者是其他任何可以插入插槽并且可以和網(wǎng)絡(luò)接口相配的IP(intellectualproperty)模塊。路由器與路由器之間，路由器與資源之間是由一對輸入和輸出通道連接。通道是由兩條單向的點對點總線組成。2DMesh結(jié)構(gòu)是目前在NoC中研究得最早的一種拓撲結(jié)構(gòu)。它結(jié)構(gòu)規(guī)則，簡單易于實現(xiàn)，但是它邊沿和頂點位置節(jié)點的相對閉塞性，會極大地

10、影響網(wǎng)絡(luò)性能。在眾多拓撲結(jié)構(gòu)中，從特征參數(shù)來看，規(guī)則的2DMesh結(jié)構(gòu)并不是最優(yōu)的，但是因為其結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)和良好的復(fù)用性，大多數(shù)的研究人員都選擇2DMesh作為研究對象。2.1.2 環(huán)面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(2DTorus)圖23x3的2DTorus結(jié)構(gòu)2DTorus結(jié)構(gòu)可以看成是對2DMesh的一種擴展，即在邊界的節(jié)點上增加了一條長的環(huán)路。因此，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點的度為4,對于一個mxn的Torus網(wǎng)絡(luò)，其中m、n為每個維度上的節(jié)點數(shù)，若m=n則稱之為規(guī)則的Torus。2DTorus拓撲在物理形式上與2DMesh相似，但由于其存在很多的環(huán)路，所以在路由算法和路由仲裁方面都要復(fù)雜許多。但是2DToru

11、s結(jié)構(gòu)在實際的應(yīng)用中范圍比2DMesh廣很多，其性能也有很大的提高，由于2DTorus拓撲的各個路由節(jié)點都是規(guī)則的,每個路由節(jié)點的結(jié)構(gòu)都一樣，所以擴展性也要比2DMesh提高很多。因此，對2DTorus拓撲結(jié)構(gòu)的研究，在今后的多處理器系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，有非常重要的意義。2.2 間接型網(wǎng)絡(luò)在間接網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點處理器通過一個（或更多）的中間開關(guān)節(jié)點相互連接。間接型拓撲包括蝶形拓撲、Banyan>Fat-Tree拓撲（如圖3）等。開關(guān)節(jié)點節(jié)點處理器圖3Fat-Tree拓撲在間接網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點處理器通過一個（或更多）的中間開關(guān)節(jié)點相互連接。在直接拓撲中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是直接相連的，而在間接拓撲中各個處理節(jié)點是通過中間節(jié)點相連，這時兩者的最大區(qū)別。常見間接型拓撲包括蝶形拓撲、Banyan>Fat-Tree拓撲等。圖3所示就是間接型拓