基于共享動態(tài)Buffer的MPNoC路由器設(shè)計研究

北海職業(yè)學(xué)院 林幼文

0 引言

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對嵌入式計算機(jī)的性能有了更高的要求，通過片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用能夠使計算機(jī)嵌入芯片中的存儲器、輸入/輸出設(shè)備以及微處理器等單元的數(shù)據(jù)通信問題得到有效解決，不過，由于現(xiàn)階段所采用的片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在資源上受到嚴(yán)重限制，致使片上路由器難以高效的利用緩沖資源，進(jìn)而使其在應(yīng)用過程中常常發(fā)生信息擁塞現(xiàn)象。因此，為了使片上系統(tǒng)變得更加高效，并且能夠有效節(jié)約資源，需要對緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠設(shè)計，以提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(tài)化并具備多通道的路由器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出一種基于共享動態(tài)的Buffer的MPNoC路由器設(shè)計方案，以實現(xiàn)對緩沖資源的動態(tài)化分配與利用，以使傳統(tǒng)片上路由器的資源利用問題得以真正解決。

1 傳統(tǒng)路由器結(jié)構(gòu)中存在的問題

在以往的路由器中主要是以靜態(tài)與固態(tài)結(jié)構(gòu)為主的，這也使路由器的靈活性嚴(yán)重缺乏，在傳統(tǒng)路由器結(jié)構(gòu)中，鏈路控制單元能夠調(diào)節(jié)傳輸數(shù)據(jù)流，并利用各個輸入端口中的FIFO對決策單元進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包能夠按照既定算法來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在各個輸出端口中還設(shè)置有相應(yīng)的促裁器，其負(fù)責(zé)控制信號與數(shù)據(jù)包的發(fā)送。在傳統(tǒng)路由器結(jié)構(gòu)中，各個端口中的緩沖區(qū)容量是固定的，其VC通道無法交叉利用緩沖區(qū)，這也造成緩沖區(qū)資源無法進(jìn)行交叉利用，從而使資源的利用效率受到了嚴(yán)重影響。因此，提出一種基于共享動態(tài)Buffer的MPNoC路由器設(shè)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(qiáng)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(xiàn)階段，人們希望能夠通過蟲孔交換技術(shù)與虛通道技術(shù)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(tài)下，虛通道仲裁及分配會加大分配物理緩沖區(qū)的復(fù)雜程度，并且大量虛通道還會使數(shù)據(jù)的傳輸延遲大大增加，從而造成MPNoC路由器在采用靜態(tài)對稱緩沖結(jié)構(gòu)的情況下難以對資源進(jìn)行高效的利用。為此，本文便提出一種基于共享動態(tài)Buffer的MPNoC路由器設(shè)計方案。

3 基于共享動態(tài)Buffer的MPNoC路由器設(shè)計研究

基于共享動態(tài)Buffer的MPNoC路由器是以集中管理方式來對緩沖區(qū)資源進(jìn)行管理的，其依據(jù)通道中的流量狀況來對緩沖區(qū)中的資源進(jìn)行動態(tài)性分配。通過在MPNoC路由器中引入鏈表來統(tǒng)一管理緩沖區(qū)，并由虛通道技術(shù)按照數(shù)據(jù)報文的長度來對緩沖區(qū)容量進(jìn)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(dāng)數(shù)據(jù)報文傳輸至MPNoC路由器的輸入端口后，其以上一節(jié)點的輸出端口來對本節(jié)點的輸入端口進(jìn)行確定，并經(jīng)過路由計算和數(shù)據(jù)報文解析等操作的事先進(jìn)行，以實現(xiàn)對報文在下一跳時輸出端口的確定。進(jìn)而優(yōu)化了數(shù)據(jù)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(guān)分配的方式能夠使虛通道在仲裁時的復(fù)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(jù)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(jìn)行動態(tài)申請的。并且，其還會在同一時間內(nèi)對鏈表隊列中存儲的有效微片數(shù)進(jìn)行更新，對報文長度和最大緩沖區(qū)容量進(jìn)行確定，進(jìn)而使MPNoC路由器的服務(wù)質(zhì)量得以顯著提高。

4 基于共享動態(tài)Buffer的MPNoC路由器的測試

對于片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可利用VHDL語言中的寄存裝置傳輸級以及由S2C公司所開發(fā)的dual virtex-5330 module FPGA（可編程門陣列）來實現(xiàn)。對于一個多通道而又具備動態(tài)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(tài)Buffer的MPNoC路由器性能進(jìn)行測試，需要利用S2C功耗分析工具對大小不等的動態(tài)緩沖區(qū)中該設(shè)計方案所設(shè)計的MPNoC路由器以及靜態(tài)對稱緩沖結(jié)構(gòu)的MPNoC路由器進(jìn)行功耗與內(nèi)存開銷的對比實驗，以獲得功耗與內(nèi)存開銷的相應(yīng)應(yīng)對指標(biāo)及其關(guān)聯(lián)特性。并利用橫坐標(biāo)來對緩沖區(qū)大小以及通道寬度進(jìn)行表述，由縱坐標(biāo)來對功耗和內(nèi)存開銷進(jìn)行表述。

經(jīng)實驗對比分析可知，基于共享動態(tài)Buffer的MPNoC路由器相比于靜態(tài)對稱緩沖結(jié)構(gòu)的MPNoC路由器來說，在內(nèi)存開銷上要明顯低于后者，這是因為該設(shè)計方案的內(nèi)存結(jié)構(gòu)決定的，其內(nèi)存能夠依據(jù)流量大小情況來對緩沖資源進(jìn)行動態(tài)性調(diào)整，以實現(xiàn)緩沖資源的有效分配。當(dāng)緩沖區(qū)容量增加時可以了解到，靜態(tài)對稱緩沖結(jié)構(gòu)的MPNoC路由器所存在的局限性會使其功耗與內(nèi)存開銷顯著增加。為了對基于共享動態(tài)Buffer的MPNoC路由器工作效率進(jìn)行檢驗，以隨機(jī)均勻流通信環(huán)境對該設(shè)計方案和靜態(tài)對稱緩沖結(jié)構(gòu)的MPNoC路由器在對數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸時的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行仿真對比，為此，采用路由器的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)建16節(jié)點的2D-Mesh仿真環(huán)境，緩沖容量為8微片，并結(jié)合XY路由算法以及蟲洞交換技術(shù)來進(jìn)行仿真實驗。仿真實驗結(jié)果表明，本設(shè)計方案所設(shè)計的MPNoC路由器相比于靜態(tài)路由器來說，在數(shù)據(jù)包傳輸服務(wù)質(zhì)量上要顯著高于后者，靜態(tài)路由器中的緩沖區(qū)在全部占滿后，會使數(shù)據(jù)包傳輸發(fā)生阻塞，而對于動態(tài)MPNoC路由器來說，其緩沖區(qū)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(jìn)而降低阻塞問題的發(fā)生幾率，降低了數(shù)據(jù)包的傳輸延遲。分別對動態(tài)MPNoC路由器與靜態(tài)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(jìn)行對比分析，2D-Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點均設(shè)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(shù)量均設(shè)置成5與4，由橫坐標(biāo)來表述兩種MPNoC路由器在各節(jié)點中各個周期所具備的信息注入率，由縱坐標(biāo)來表述兩種MPNoC路由器的平均信息延時，表述結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載狀態(tài)為輕度與中度時，動態(tài)MPNoC路由器與靜態(tài)MPNoC路由器之間所產(chǎn)生的信息延遲不具備較大差異，而當(dāng)負(fù)載狀態(tài)為高流量時，動態(tài)MPNoC路由器所產(chǎn)生的平均信息延時要比靜態(tài)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(jié)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(xiàn)擁堵以及緩沖資源利用不高效的問題進(jìn)行解決，本文提出一種基于動態(tài)Buffer的MPNoC路由器設(shè)計方案，該設(shè)計方案能夠依據(jù)各通道在運行過程中的通信率情況來對緩沖區(qū)進(jìn)行動態(tài)分配，從而實現(xiàn)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(xiàn)擁塞的問題，而且在內(nèi)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(wǎng)絡(luò)性能得到全方位的提高。

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