[发明专利]一种应用于片上网络支持硬实时通信的路由开关

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及众核处理器中片上网络的实时通信技术，特别是面向不同优先级报文的通信竞争和延迟的众核片上网络环境，进一步地，涉及如何从硬件实现上来保证基于片上网络的众核系统中高优先级报文的优先传输，即涉及一种众核系统片上网络实时通信的硬件机制。

背景技术

随着片上系统朝着多核化、众核化的方向发展，基于总线结构的通信方式面临着越来越严峻的挑战，这些挑战主要来自带宽、延迟、功耗、可扩展性、可重用性、信号完整性、全局同步等，而片上网络技术(Network-on-Chip，简称NoC)恰恰是能够解决这些挑战的有效方法。进一步地，对于一些诸如雷达、声纳、多媒体等诸多国防和民用领域来说，通常需要高性能大规模的并行计算，其算法具有高计算密集性、高存储密集性和高实时性的特点。因此，在片上网络的实现上加入实时通信功能，将为片上网络在上述领域中的应用铺平道路。

实时性分为软实时与硬实时，软实时要求平均响应时间要小于某一个值，硬实时要求最坏响应时间要小于某一个值。事实上，在片上网络中，实时通信可以通过设置报文的优先级高低，使高优先级报文在片上网络传输时的局部过程中能够较低优先级报文先被传输。然而，这并不一定能保证最终实现高优先级报文在整个网络传输中在最坏情况下的延迟有一个确定值。在某些情况下，为了保证高优先级报文传输有确定的最坏延迟(即保证其硬实时性)，甚至需要牺牲其平均延迟的性能(即软实时性)作为代价。此外，有一些片上网络使用基于时间戳的通信方式，在报文发送的开始或结束时打上时间戳，使得目标核芯知道该报文中的数据是否足够新还是已经过时而不能使用；应该注意到，这种时间戳方法可以提高片上网络对实时性请求响应的可靠性，使得系统不会因为使用了过时的数据而发生错误，但本身并不能提高对实时性报文的网络传输时效性。

另一方面，传统的采用虚通道(Virtual Channel，简称VC)技术的路由开关，在每一个方向的输入端有大量缓存单元组成的若干个输入虚通道(Input VC)队列，但每一个时钟最多只能有其中的一个输入虚通道(Input VC)能经交叉开关(Crossbar)向输出虚通道(Output VC)传输一个微片(Flit)；同样的情况也发生在上游的输出虚通道(Output VC)向下游的输入虚通道(Input VC)的数据传输中。这样的路由开关不仅硬件资源消耗很大，并行性也较差。此外，传统的虫孔(Worm Hole)交换机制虽然能实现基于微片(Flit)的传输，但总体上单个虚通道依然是基于数据包(Packet)进行仲裁的，在这种仲裁方式中，一旦某个数据包(Packet)锁定了交叉开关的一个链接(Link)，在这个数据包(Packet)全部传完之前，其他数据包(Packet)是无法越过它来传输的；这意味着，如果有低优先级的通信正在进行，在其结束之前，高优先级的通信请求将只能等待，所以，通过这种传统的路由开关无法实现实时通信。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种支持优先级传输的应用于片上网络支持硬实时通信的路由开关，可以应用于任意采用确定性路由策略的片上网络中，而对整个网络的拓扑结构没有限制；在应用中，只需要将每一个报文增加一个优先级标识来标明其优先级，结合报文中必须包含的目的地信息，该报文就会被片上网络按照其相应的优先级经过确定的路由向目标核芯传输；以此路由开关构建的片上网络既能保证高优先级报文平均传输延迟时间少，又能保证高优先级报文传输的最坏延迟是一个确定值，即能同时兼顾软、硬实时性的要求，从而提高片上网络通信的对实时性请求的服务质量。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种应用于片上网络支持硬实时通信的路由开关，包括：

报文数据格式，报文中的每个微片包括请求、路由及目标核芯响应所需的数据传输信息、所需传送至目的地的数据实部和用来标识该微片优先级的优先级标识位；

路由策略，路由开关可以结合任何确定性的路由策略，数据的传输首先沿着确定好的路由策略中的其中一维度传输到与目的地节点相同维度的节点上，然后再沿着其中另外的维度依次传输到目的地节点，最后从目的地节点的本地通道输出；

链路层流控机制，采用改进型的虫孔交换机制，包括报文在路由开关内部及片上网络的各路开关之间的路由、仲裁、缓存和传输都是基于微片进行的和高优先级微片在缓存、仲裁和传输各方面都优先于低优先级微片；与