采用雙層子網(wǎng)動(dòng)態(tài)虛通道的片上網(wǎng)絡(luò)

凌 翔，沈 慧，汪 凡，胡劍浩

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 611731)

深亞微米工藝水平在不斷地提高，特征尺寸逐漸減小，片上資源之間的互連通信成為片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)中制約時(shí)延與功耗的關(guān)鍵因素，因此片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)的概念應(yīng)運(yùn)而生，成為提高片上系統(tǒng)通信效率的解決方案。傳統(tǒng)的宏觀網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)被借鑒到芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)中，在芯片上構(gòu)建分組交換的微網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多處理器片上系統(tǒng)(MPSoC)中大量處理器、存儲(chǔ)單元之間的高效率通信，從體系架構(gòu)上徹底解決總線(xiàn)結(jié)構(gòu)所引發(fā)的問(wèn)題。

芯片上的處理器之間可能傳輸不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)流量，而這些流量有各種各樣的特性與需求，因此需要根據(jù)數(shù)據(jù)包的不同應(yīng)用及性能需求，為它們分配不同的服務(wù)等級(jí)與服務(wù)質(zhì)量保證(QoS)。由于片上網(wǎng)絡(luò)與宏觀網(wǎng)絡(luò)的巨大差異，NoC中的QoS保障面臨許多新問(wèn)題。

NoC 提供的服務(wù)分為兩種基本類(lèi)型：盡力而為服務(wù)(best effort，BE)和有保障服務(wù)(guaranteed，GT)[1]。在NoC中，BE服務(wù)只需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確傳輸，不必完全滿(mǎn)足某些通信性能的要求。然而，NoC在業(yè)務(wù)流量比較重的情況下可能會(huì)發(fā)生擁塞，因此，在對(duì)延遲和吞吐率等有特殊要求的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)中，BE服務(wù)可能會(huì)無(wú)法適用。這就導(dǎo)致GT服務(wù)的出現(xiàn)，GT服務(wù)要求滿(mǎn)足數(shù)據(jù)包傳輸?shù)恼_性和成功率。GT服務(wù)又可細(xì)分為硬GT服務(wù)和軟GT服務(wù)兩種。硬GT服務(wù)主要通過(guò)預(yù)留存儲(chǔ)資源實(shí)現(xiàn)，屬于面向連接的方式。MANGO、AETHEREAL等NoC仿真系統(tǒng)就采用面向連接的方式，通過(guò)預(yù)留帶寬資源，實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量的硬保障[2-3]。軟GT服務(wù)系統(tǒng)通常是動(dòng)態(tài)分配虛通道(VC)[4]，將數(shù)據(jù)包劃分為多個(gè)服務(wù)等級(jí)來(lái)保障其服務(wù)性能[5]，具有統(tǒng)計(jì)特性的保障，如QNoC、AdNoC等[6-9]。在設(shè)計(jì)軟GT服務(wù)前，需知道注入的流量模型，根據(jù)仿真結(jié)果，研究者需要了解應(yīng)該給各節(jié)點(diǎn)分配多少帶寬以保證達(dá)到確定的性能要求。而QoS中的BE服務(wù)不提供承諾，在某些情況下也可以歸到低優(yōu)先級(jí)的軟GT服務(wù)中。

本文在設(shè)計(jì)提供GT服務(wù)的NoC路由器時(shí)采用硬GT保障技術(shù)，即在傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量之前為其分配VC資源用于建鏈，使不同等級(jí)的GT數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量與NoC中的其他數(shù)據(jù)流量實(shí)現(xiàn)邏輯上的隔離，避免了該GT業(yè)務(wù)流在網(wǎng)絡(luò)中被堵塞，以對(duì)其實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量保障。提供硬保障服務(wù)對(duì)資源的需求比較高，因?yàn)楸仨毧紤]最壞情形，可能會(huì)過(guò)度分配資源，從而導(dǎo)致浪費(fèi)。在宏觀網(wǎng)絡(luò)中可以大量使用存儲(chǔ)資源，而NoC中若增加緩存資源，其面積和功耗會(huì)急劇增加，而大大影響NoC的系統(tǒng)性能。芯片面積、功耗的要求限制了緩存資源的數(shù)目[10]。針對(duì)這種情況，本文在不增加緩存資源(即VC資源)的基礎(chǔ)上，對(duì)NoC網(wǎng)絡(luò)接口(NI)模塊和路由器模塊的結(jié)構(gòu)做改進(jìn)，利用雙層子網(wǎng)技術(shù)和動(dòng)態(tài)虛通道分配技術(shù)來(lái)增加建鏈成功率，降低服務(wù)連接建立的等待時(shí)間，提高NoC的數(shù)據(jù)包傳輸速度，最終提高NoC的整體傳輸性能。

1 片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個(gè)4′4 mesh 片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由路由器(R)、鏈路、網(wǎng)絡(luò)接口(NI)和本地子系統(tǒng)組成。本地子系統(tǒng)包括處理單元(PE)與私有存儲(chǔ)器，PE通過(guò)局部總線(xiàn)訪問(wèn)私有存儲(chǔ)器，通過(guò)NI連接NoC網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)NoC網(wǎng)絡(luò)與其他PE傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 4′4 mesh NoC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一具有QoS保障的路由器結(jié)構(gòu)如圖2所示，數(shù)據(jù)微片(flits)由輸入端口進(jìn)入，在輸入端口控制邏輯下，將數(shù)據(jù)信息解復(fù)用到對(duì)應(yīng)的VC。路由器根據(jù)輸入端口調(diào)度規(guī)則，將選定VC的數(shù)據(jù)微片依據(jù)數(shù)據(jù)格式，傳入相應(yīng)的BE路由交換模塊或GT路由交換模塊。NoC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層依靠路由器主要完成了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和路由計(jì)算等功能。路由器的結(jié)構(gòu)主要由輸入端口控制器、輸入虛通道、輸入仲裁器、BE路由交換單元、GT路由交換單元、輸出控制器構(gòu)成。

圖2 傳統(tǒng)的QoS路由器結(jié)構(gòu)圖

2 動(dòng)態(tài)虛通道技術(shù)

通常，片上網(wǎng)絡(luò)路由器中的虛通道采用靜態(tài)分配方式，且給每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的每個(gè)端口分配相同數(shù)目的VC，稱(chēng)之為靜態(tài)均衡分配VC。然而實(shí)際中，路由器各個(gè)端口發(fā)送或接收的包流量并不均衡，某些端口的流量負(fù)載可能重一些，而某些端口則沒(méi)有數(shù)據(jù)流通，從而導(dǎo)致某些端口的VC資源緊張，而某些端口的VC被閑置，在這種情況下，如果每個(gè)端口分配同等數(shù)目的VC就會(huì)造成比較嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。傳統(tǒng)的VC靜態(tài)分配技術(shù)對(duì)非平衡的業(yè)務(wù)負(fù)荷不具有很好的適應(yīng)性，可能會(huì)使某些節(jié)點(diǎn)中某些方向上的VC資源不夠用，建鏈?zhǔn)。瑢?dǎo)致建鏈成功率很低。因此，在QoS路由器中采用動(dòng)態(tài)虛通道技術(shù)以提高建鏈成功率。

本文在虛通道靜態(tài)分配的基礎(chǔ)上，將一部分VC資源統(tǒng)一管理，根據(jù)各端口的需求情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，提出了動(dòng)態(tài)VC分配的QoS路由器結(jié)構(gòu)(Dyn-VCQoS-NoC)。對(duì)于BE數(shù)據(jù)包，動(dòng)態(tài)VC管理模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)各端口的數(shù)據(jù)包傳遞的方向，若產(chǎn)生一個(gè)新的方向，則給該數(shù)據(jù)包分配新的靜態(tài)VC資源，如果靜態(tài)VC用盡，則分配新的動(dòng)態(tài)VC。當(dāng)檢測(cè)到一段時(shí)間該端口的數(shù)據(jù)包投遞的方向個(gè)數(shù)小于給該端口分配的動(dòng)態(tài)VC資源的數(shù)目，則可以釋放掉動(dòng)態(tài)VC，這樣，網(wǎng)絡(luò)能夠很好地適應(yīng)非平衡的業(yè)務(wù)流量波動(dòng)變化。預(yù)留的動(dòng)態(tài)VC資源被路由器的所有端口間共享，根據(jù)通信業(yè)務(wù)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。對(duì)于GT建鏈包，已有的建鏈包占用完該端口的所有靜態(tài)VC資源后，若該端口又收到新的GT建鏈請(qǐng)求，則為該端口分配一個(gè)動(dòng)態(tài)VC用于虛鏈路的搭建，在該GT數(shù)據(jù)服務(wù)傳遞期間，該動(dòng)態(tài)分配的VC一直被占用，直至收到最尾一個(gè)數(shù)據(jù)包或源拆鏈包之后才釋放VC資源。因此，在QoS路由器中采用動(dòng)態(tài)分配虛通道技術(shù)不僅能夠很好地提升建鏈成功率，還極大程度地節(jié)約了存儲(chǔ)器資源，有效減小芯片面積。

對(duì)BE包而言，這不僅保證了VC分配的實(shí)時(shí)性，而且提高了緩存資源利用率；而對(duì)GT包而言，提高了GT建鏈的成功率。

動(dòng)態(tài)VC分配比靜態(tài)VC分配復(fù)雜。在保留原有的路由計(jì)算模塊、VC分配單元和交換開(kāi)關(guān)等部件外，還需要增加動(dòng)態(tài)VC控制單元，用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)VC的分配、建立、拆除過(guò)程。動(dòng)態(tài)分配虛通道的QoS路由器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)VC分配的QoS路由器結(jié)構(gòu)

路由器的每一個(gè)輸入端口各有k個(gè)靜態(tài)分配的虛通道，所有端口共有n個(gè)用于動(dòng)態(tài)分配的虛通道資源。路由器的每個(gè)輸入端口都會(huì)有一份傳遞方向記錄表，記載動(dòng)態(tài)VC所提供服務(wù)的源節(jié)點(diǎn)編號(hào)、目的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和服務(wù)等級(jí)標(biāo)識(shí)。當(dāng)輸入端口檢測(cè)到新的數(shù)據(jù)包建鏈請(qǐng)求時(shí)，如果端口的靜態(tài)VC全部被占用，而有空閑的動(dòng)態(tài)VC時(shí)，此時(shí)才給該新的建鏈包請(qǐng)求分配動(dòng)態(tài)資源，提供建鏈所必須的資源。輸入端的VC仲裁對(duì)該端口的靜態(tài)VC和選定的動(dòng)態(tài)VC進(jìn)行仲裁，選擇出一路向輸出端口發(fā)出申請(qǐng)。若動(dòng)態(tài)資源分配給端口建立連接，則其具體后續(xù)操作和普通靜態(tài)VC類(lèi)似。不同的是，若建鏈?zhǔn)。瑒t收到反饋信號(hào)后，釋放的預(yù)留動(dòng)態(tài)VC資源仍可以被任意路由端口使用。對(duì)GT建鏈包而言，當(dāng)該建鏈包傳遞經(jīng)過(guò)，則節(jié)點(diǎn)一直預(yù)留某一VC資源用于GT業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，直至源端最尾一個(gè)數(shù)據(jù)包釋放該虛鏈路，被該服務(wù)占用的動(dòng)態(tài)虛通道才會(huì)被釋放，從而可以再次用于其他端口的新的服務(wù)。

Dyn-VC-QoS-NoC優(yōu)點(diǎn)在于它可以在虛通道數(shù)目不變或減少的情況下，適應(yīng)不均衡的業(yè)務(wù)流模型，極大地提高建鏈成功率和VC利用率，這對(duì)各種優(yōu)先級(jí)服務(wù)的性能改善是非常明顯的。然而，Dyn-VC-QoS-NoC結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)某段鏈路上同時(shí)提供的業(yè)務(wù)數(shù)目過(guò)多，從而使得該段物理鏈路上的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)于激烈，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的平均傳輸時(shí)延升高、性能降低。為此，進(jìn)一步提出了雙層子網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)劃分成兩層，分散業(yè)務(wù)流，減小擁塞，降低數(shù)據(jù)包平均傳輸時(shí)延。

3 雙層子網(wǎng)技術(shù)

常規(guī)的XY路由算法一般是先X方向，再Y方向路由，它是無(wú)死鎖的，但易造成阻塞。對(duì)于GT服務(wù)的數(shù)據(jù)包，利用這種常規(guī)的XY路由算法會(huì)導(dǎo)致GT建鏈成功率比較低，低優(yōu)先級(jí)的GT數(shù)據(jù)包很有可能沒(méi)辦法獲資源，使得建鏈?zhǔn)　?/p>

為了提升GT數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)建鏈成功的概率，提高各等級(jí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，本文提出雙層子網(wǎng)(dualnet)結(jié)構(gòu)[11]，按照源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系對(duì)數(shù)據(jù)包分別在子網(wǎng)中進(jìn)行XY或者YX路由方式。XY-YX混合路由優(yōu)先選擇方式的偽代碼如下：

當(dāng)選定的優(yōu)先路由方式建鏈?zhǔn)r(shí)，源節(jié)點(diǎn)則選擇另一個(gè)子層路由建鏈。

按照上述基于源/目的地址關(guān)系對(duì)路由優(yōu)先選擇方式，圖4b中將圖4a中比較擁塞的節(jié)點(diǎn)6至節(jié)點(diǎn)7之間鏈路上的數(shù)據(jù)流分散開(kāi)，從而避免了鏈路競(jìng)爭(zhēng)，提高數(shù)據(jù)包的傳輸效率。

圖4 雙層子網(wǎng)基于固定源/目的地址對(duì)路由優(yōu)先選擇方式

在NoC上同時(shí)執(zhí)行XY和YX路由方式很容易導(dǎo)致死鎖的發(fā)生，而本文提出的雙層子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則能夠避免這種問(wèn)題。

建立雙層子網(wǎng)的mesh網(wǎng)絡(luò)要增加路由器之間的物理鏈路，如圖5所示；還需對(duì)路由器內(nèi)部結(jié)構(gòu)做一些相應(yīng)的設(shè)計(jì)，如圖6所示。當(dāng)新的數(shù)據(jù)包由輸入端口傳入路由器時(shí)，首先要判斷它是經(jīng)過(guò)XY子網(wǎng)還是YX子網(wǎng)傳入的，然后其相應(yīng)的子網(wǎng)控制器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)做出處理。

雙層子網(wǎng)在本質(zhì)上是通過(guò)增加鏈路資源提高傳輸吞吐率，由于存儲(chǔ)資源(即VC資源)不變，因此芯片面積開(kāi)銷(xiāo)增加不多。

圖5 4′4 mesh雙層子網(wǎng)示意

圖6 雙層子網(wǎng)的QoS路由器結(jié)構(gòu)

4 結(jié)合動(dòng)態(tài)VC分配與雙層子網(wǎng)的Dyn-dualnet-QoS-NoC

雙層子網(wǎng)可以分散數(shù)據(jù)流，減小網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，降低平均數(shù)據(jù)包傳遞時(shí)延；動(dòng)態(tài)分配VC策略則能提高VC利用率，節(jié)省面積，同時(shí)提升建鏈成功率。本文最終結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)提高QoS保障的NoC路由器，設(shè)計(jì)的Dyn-dualnet-QoS-NoC結(jié)構(gòu)如圖7所示。普通的靜態(tài)VC分為兩組，分別用來(lái)進(jìn)行XY子網(wǎng)和YX子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包投遞；動(dòng)態(tài)VC也分為兩組，分別分配給XY子網(wǎng)及YX子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包路由傳輸過(guò)程。因此，從整體結(jié)構(gòu)看，所有的VC通道仍是分布在兩張獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)上的，兩個(gè)子網(wǎng)上均不會(huì)出現(xiàn)環(huán)路狀態(tài)，從而有效避免死鎖的發(fā)生。各子網(wǎng)的待分配的動(dòng)態(tài)VC根據(jù)各輸入端口的請(qǐng)求由它們的分配控制單元分別分配給各端口。圖8b中將圖8a中擁塞的節(jié)點(diǎn)1至2、節(jié)點(diǎn)1至5、節(jié)點(diǎn)6至7之間鏈路上的數(shù)據(jù)流分?jǐn)偟絻蓚€(gè)子網(wǎng)，從而避免了鏈路競(jìng)爭(zhēng)。

Dyn-dualnet-QoS-NoC既可以在節(jié)約VC資源的基礎(chǔ)上適應(yīng)各端口流量不均衡的情況，縮短平均建鏈時(shí)間，又可以利用雙層子網(wǎng)的特性，分散業(yè)務(wù)流，提高鏈路的傳輸效率。

圖7 Dyn-dualnet-QoS-NoC結(jié)構(gòu)

圖8 Dyn-dualnet-QoS-NoC結(jié)構(gòu)對(duì)3類(lèi)QoS等級(jí)業(yè)務(wù)的建鏈情況的優(yōu)化

表1 QoS-NoC、Dyn-VC-QoS-NoC和Dyn-dualnet-QoS-NoC資源耗費(fèi)對(duì)比表

由于Dyn-dualnet-QoS-NoC結(jié)構(gòu)中采用了動(dòng)態(tài)分配VC的策略，因此，在路由器中使用較少的VC資源即可滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求。對(duì)于4′4的mesh NoC網(wǎng)絡(luò)，其相比于普通QoS-NoC節(jié)約了16.7%的虛通道資源。

4 仿真結(jié)果

在MSNS仿真器[12]上進(jìn)行仿真，采用泊松注入模式。數(shù)據(jù)包根據(jù)泊松分布的流量模型由PE層產(chǎn)生，注入到NI層的緩存資源中；數(shù)據(jù)包以flit的形式注入NoC網(wǎng)絡(luò)。

GT業(yè)務(wù)分3個(gè)等級(jí)：等級(jí)1為低優(yōu)先權(quán)業(yè)務(wù)；等級(jí)2為中優(yōu)先權(quán)業(yè)務(wù)；等級(jí)3為高優(yōu)先權(quán)業(yè)務(wù)。BE業(yè)務(wù)與GT1、GT2、GT3業(yè)務(wù)各具有相同的注入強(qiáng)度。

圖9 3種QoS機(jī)制下各等級(jí)數(shù)據(jù)包平均建鏈成功延時(shí)

圖10 3種QoS機(jī)制下各等級(jí)數(shù)據(jù)包平均傳輸延時(shí)

圖11 3種QoS機(jī)制下各等級(jí)數(shù)據(jù)包吞吐量

GT1、GT2、GT3的數(shù)據(jù)包的平均建鏈延時(shí)如圖9所示，動(dòng)態(tài)虛通道機(jī)制、雙層子網(wǎng)動(dòng)態(tài)虛通道機(jī)制都比普通QoS策略降低了平均建鏈時(shí)延。在傳統(tǒng)QoS-NoC中，低優(yōu)先權(quán)業(yè)務(wù)的建鏈請(qǐng)求會(huì)被滯后響應(yīng)。而在Dyn-dualnet-QoS-NoC中，低優(yōu)先權(quán)業(yè)務(wù)GT1的建鏈時(shí)延減少了44%，GT2的建鏈時(shí)延減少了42%，從而證明了Dyn-dualnet-QoS-NoC結(jié)構(gòu)可以提高各等級(jí)業(yè)務(wù)的建鏈性能。

各等級(jí)數(shù)據(jù)包平均傳輸延時(shí)的比較如圖10所示。傳輸延時(shí)是指從數(shù)據(jù)包請(qǐng)求發(fā)送到最后一個(gè)微片到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。從圖10中可以清晰地觀察到，改進(jìn)后的Dyn-dualnet-QoS機(jī)制系統(tǒng)各等級(jí)數(shù)據(jù)包的平均傳輸延時(shí)都比普通QoS機(jī)制大幅降低了；從低優(yōu)先權(quán)GT1、GT2到高優(yōu)先權(quán)GT3業(yè)務(wù)的平均傳輸延時(shí)分別降低53%、44%和28%。Dyn-VC-QoS機(jī)制下的平均傳輸延時(shí)比普通QoS機(jī)制略高，是因?yàn)镈yn-VC-QoS機(jī)制使用的虛通道數(shù)量少，對(duì)性能略有影響。

而Dyn-dualnet-QoS機(jī)制相應(yīng)的其各GT等級(jí)的數(shù)據(jù)包平均吞吐量都增加，如圖11所示。在飽和狀態(tài)下，Dyn-dualnet-QoS機(jī)制從低優(yōu)先權(quán)GT1、GT2到高優(yōu)先權(quán)GT3業(yè)務(wù)的平均吞吐率比普通QoS機(jī)制分別提高了118%、83%和46%；比Dyn-VC-QoS機(jī)制分別提高了77%、89%和60%。

圖10和圖11中性能的提高是因?yàn)楸窘Y(jié)構(gòu)中采用了雙層子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)流分散到XY層和YX層中，避免了部分X路徑或Y路徑上過(guò)于擁塞。

5 結(jié) 論

本文主要通過(guò)對(duì)NoC路由器結(jié)構(gòu)做改進(jìn)來(lái)提高保障服務(wù)的建鏈效率，提高整個(gè)NoC網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。結(jié)合動(dòng)態(tài)虛通道分配技術(shù)和雙層子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出了一種Dyn-dualnet-QoS-NoC策略。動(dòng)態(tài)虛通道分配技術(shù)提高了建鏈成功率，雙層子網(wǎng)結(jié)構(gòu)則較好地分散了數(shù)據(jù)流，避免數(shù)據(jù)包擁塞，降低了數(shù)據(jù)包的傳輸延時(shí)。Dyn-dualnet-QoS-NoC達(dá)到面積和傳輸效率上的平衡，在保證提高建鏈成功率的基礎(chǔ)上，既提升各個(gè)等級(jí)服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣?，又可以有效減小虛通道資源開(kāi)銷(xiāo)。

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