[发明专利]一种用于片上网络的混合互连Mesh拓扑结构及其路由算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于片上网络的混合互连Mesh拓扑结构及其路由算法。

背景技术

片上网络的拓扑结构定义了网络中各个模块在芯片上分布和连接的物理布局。拓扑结构的选择将直接影响到网络节点度、网络直径、网络规模，从而影响了网络时延、吞吐量、能耗、面积以及容错等，最终对网络性能参数产生重要影响。因此，在片上网络中，对拓扑结构的设计研究是目前研究的重点之一。

片上网络设计中常用的几种规则型拓扑结构如下所示：

1、二维网格结构(2D Mesh)

二维网格结构是一种规则型结构，是片上网络研究过程中最常用、最简单直观的拓扑结构，如图1所示。在一个N×N的2DMesh结构中，每个IP核通过网络接口与路由节点相连，每个路由节点(边界节点除外)与其上、下、左、右方向的四个路由节点相连，节点的度为4，网络直径为2×(N-1)。

Mesh结构具有可扩展性好、规则性、逻辑结构简单、便于实现和分析等优点，因此在片上网络中得到广泛应用。这种结构设计的缺点是：对称性易引起中央区域拥塞和热点，造成网络负载分布不均衡；其边缘节点相对闭塞，远端节点间长距离多跳通信易造成延迟过大；带宽、延迟等方面的性能不是最优；对于实时性数据传输要求较高的网络，在这样情况下将无法保证服务质量(Quality of Service，QoS)。

2、二维环绕网格结构(2D Torus)

如图2所示，二维Torus结构将每行每列中处于边缘的路由节点对应连接起来，使整个网络中的路由节点形成一个环路。通过增加通信链路来降低网络阻塞的概率，从而克服了上述2D Mesh结构的设计缺陷。该结构的所有节点度均为4，直径为(取整)。

与2D Mesh结构相比，虽然直径有所减小，但却增加了环路，这种过长的环形信道可能会产生额外的延迟。因此，研究人员设计出了Folded Torus结构，如图3所示,通过链路改进使0与3之间的长链路被短链路取代，如图4所示，使整个网络成球状分布。但是，这两种拓扑结构的路由节点都会形成环路，增加了路由死锁发生的可能性，而且环路之间存在交叉，增加了硬件实现的资源损耗。

传统Mesh拓扑结构虽然具有良好的可扩展性、规则性、结构简单且便于实现等优点，但是，由于结构的对称性以及边缘节点相对闭塞，传统Mesh结构容易引起负载分布不均衡和中央区域热点的形成，从而导致网络拥塞和通信性能下降。

片上网络的路由算法依赖于网络拓扑结构。在拓扑结构相同的片上网络中，路由算法决定了数据包传输的路径，从而决定了网络链路的负载分布和拥塞程度。不同路由算法所决定的通讯路径长短将直接影响到整个片上网络的传输延迟、路由传输能耗和缓存排队能耗。良好的片上网络路由算法不仅能够平衡网络负载分布，而且可以使路由路径尽可能短。这些都将对网络吞吐量、通信延迟以及能耗起到关键性作用，也将极大影响整个网络的通信性能，是片上网络设计过程中的重点和难点。一般来说，路由算法可以分为以下三类：确定性路由(Deterministic Routing)、自适应性路由(Adaptive Routing)及确定性与适应性相结合的路由算法。

确定性路由又称为静态路由，是片上网络中一种常见的路由算法。在确定性路由算法中，传输路径是由源节点和目的节点共同决定，与网络当前的状态无关，即每对通信节点只有唯一一条通信路径。常用的确定性路由主要有维序XY路由(Dimensional Ordered Routing，DOR)和O1TURN(Only one Turn)等。如图5所示，源节点为A，目的节点为B，在XY路由算法中，数据包先沿着X轴到达C(往目的节点的方向)，然后转向Y轴路由，最后到达B。在O1TURN路由算法中，数据包有50％概率选择XY路由(A→C→B)，也有50％的概率选择YX路由(A→D→B)传输。确定性路由的主要优点是：算法简单、易于实现，在网络拥塞相对低时延迟较小。目前，工业界的很多产品路由设计都采用确定性路由，然而，由于确定性路由算法路径只与源节点和目的节点有关，路径单一，不能根据网络中的流量分布来合理利用网络资源。容易造成网络负载分布不均衡，且易引起热点和网络拥塞，若网络处于非均匀的数据流量分布时，采用该算法的系统性能将急速下降。