基于共享動態Buffer的MPNoC路由器設計研究

北海職業學院 林幼文

0 引言

科學技術的快速發展，使人們對嵌入式計算機的性能有了更高的要求，通過片上網絡技術的應用能夠使計算機嵌入芯片中的存儲器、輸入/輸出設備以及微處理器等單元的數據通信問題得到有效解決，不過，由于現階段所采用的片上網絡系統在資源上受到嚴重限制，致使片上路由器難以高效的利用緩沖資源，進而使其在應用過程中常常發生信息擁塞現象。因此，為了使片上系統變得更加高效，并且能夠有效節約資源，需要對緩沖區結構進行可靠設計，以提高系統網絡的容錯率與吞吐率，以使緩沖資源得到高效利用。而本文通過對靜態化并具備多通道的路由器結構進行分析的基礎上，提出一種基于共享動態的Buffer的MPNoC路由器設計方案，以實現對緩沖資源的動態化分配與利用，以使傳統片上路由器的資源利用問題得以真正解決。

1 傳統路由器結構中存在的問題

在以往的路由器中主要是以靜態與固態結構為主的，這也使路由器的靈活性嚴重缺乏，在傳統路由器結構中，鏈路控制單元能夠調節傳輸數據流，并利用各個輸入端口中的FIFO對決策單元進行有效關聯，以實現數據包能夠按照既定算法來進行轉發。在各個輸出端口中還設置有相應的促裁器，其負責控制信號與數據包的發送。在傳統路由器結構中，各個端口中的緩沖區容量是固定的，其VC通道無法交叉利用緩沖區，這也造成緩沖區資源無法進行交叉利用，從而使資源的利用效率受到了嚴重影響。因此，提出一種基于共享動態Buffer的MPNoC路由器設計方案，對于上述問題的解決是具有重要意義的。

2 MPNoC路由器簡介

MPNoC路由器具備強運算與高集成能力，其注重于帶寬、吞吐量、互連線延遲及資源利用率等問題的解決。而在MPNoC路由器中，現階段，人們希望能夠通過蟲孔交換技術與虛通道技術來提高路由器的性能與緩沖資源利用效率，不過由于在高流量狀態下，虛通道仲裁及分配會加大分配物理緩沖區的復雜程度，并且大量虛通道還會使數據的傳輸延遲大大增加，從而造成MPNoC路由器在采用靜態對稱緩沖結構的情況下難以對資源進行高效的利用。為此，本文便提出一種基于共享動態Buffer的MPNoC路由器設計方案。

3 基于共享動態Buffer的MPNoC路由器設計研究

基于共享動態Buffer的MPNoC路由器是以集中管理方式來對緩沖區資源進行管理的，其依據通道中的流量狀況來對緩沖區中的資源進行動態性分配。通過在MPNoC路由器中引入鏈表來統一管理緩沖區，并由虛通道技術按照數據報文的長度來對緩沖區容量進行分配與釋放，能夠使緩沖資源在各種通信要求下得到充分的利用。當數據報文傳輸至MPNoC路由器的輸入端口后，其以上一節點的輸出端口來對本節點的輸入端口進行確定，并經過路由計算和數據報文解析等操作的事先進行，以實現對報文在下一跳時輸出端口的確定。進而優化了數據報文在MPNoC路由器中的整個多路選擇仲裁過程。同時，利用開關分配的方式能夠使虛通道在仲裁時的復雜程度得到有效降低。以上原理可表述成N個通道劃分為N-1個虛通道，這些虛通道是依據報文在微片流入或流出時的具體情況來對緩沖資源利用進行動態申請的。并且，其還會在同一時間內對鏈表隊列中存儲的有效微片數進行更新，對報文長度和最大緩沖區容量進行確定，進而使MPNoC路由器的服務質量得以顯著提高。

4 基于共享動態Buffer的MPNoC路由器的測試

對于片上網絡系統，可利用VHDL語言中的寄存裝置傳輸級以及由S2C公司所開發的dual virtex-5330 module FPGA（可編程門陣列）來實現。對于一個多通道而又具備動態緩沖功能的路由器來說，其硬件開銷水平通常較低。為了對基于動態Buffer的MPNoC路由器性能進行測試，需要利用S2C功耗分析工具對大小不等的動態緩沖區中該設計方案所設計的MPNoC路由器以及靜態對稱緩沖結構的MPNoC路由器進行功耗與內存開銷的對比實驗，以獲得功耗與內存開銷的相應應對指標及其關聯特性。并利用橫坐標來對緩沖區大小以及通道寬度進行表述，由縱坐標來對功耗和內存開銷進行表述。

經實驗對比分析可知，基于共享動態Buffer的MPNoC路由器相比于靜態對稱緩沖結構的MPNoC路由器來說，在內存開銷上要明顯低于后者，這是因為該設計方案的內存結構決定的，其內存能夠依據流量大小情況來對緩沖資源進行動態性調整，以實現緩沖資源的有效分配。當緩沖區容量增加時可以了解到，靜態對稱緩沖結構的MPNoC路由器所存在的局限性會使其功耗與內存開銷顯著增加。為了對基于共享動態Buffer的MPNoC路由器工作效率進行檢驗，以隨機均勻流通信環境對該設計方案和靜態對稱緩沖結構的MPNoC路由器在對數據包進行傳輸時的服務質量進行仿真對比，為此，采用路由器的不同拓撲結構來構建16節點的2D-Mesh仿真環境，緩沖容量為8微片，并結合XY路由算法以及蟲洞交換技術來進行仿真實驗。仿真實驗結果表明，本設計方案所設計的MPNoC路由器相比于靜態路由器來說，在數據包傳輸服務質量上要顯著高于后者，靜態路由器中的緩沖區在全部占滿后，會使數據包傳輸發生阻塞，而對于動態MPNoC路由器來說，其緩沖區的鏈表管理要具備高度的靈活性，能夠使緩沖資源得到有效利用，進而降低阻塞問題的發生幾率，降低了數據包的傳輸延遲。分別對動態MPNoC路由器與靜態路由器在熱點流量與均勻流量兩種模式下的平均信息延遲進行對比分析，2D-Mesh網絡拓撲結構節點均設置成16個，并利用XY維路由策略，采用8微片的信息長度，并對路由器的端口及虛通道數量均設置成5與4，由橫坐標來表述兩種MPNoC路由器在各節點中各個周期所具備的信息注入率，由縱坐標來表述兩種MPNoC路由器的平均信息延時，表述結果表明，當負載狀態為輕度與中度時，動態MPNoC路由器與靜態MPNoC路由器之間所產生的信息延遲不具備較大差異，而當負載狀態為高流量時，動態MPNoC路由器所產生的平均信息延時要比靜態MPNoC路由器低的多，特別是在熱點流量信息注入時，其延遲性能要好的多。

5 結語

為了對以往路由器中存在緩沖資源無法交叉使用、易出現擁堵以及緩沖資源利用不高效的問題進行解決，本文提出一種基于動態Buffer的MPNoC路由器設計方案，該設計方案能夠依據各通道在運行過程中的通信率情況來對緩沖區進行動態分配，從而實現了各通道中緩沖資源的交叉使用與高效共享，有效降低了信息在傳輸過程中出現擁塞的問題，而且在內存開銷以及功率消耗上要低的多，能夠有效降低信息延遲，從而使網絡性能得到全方位的提高。

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