集中式片上网络路由器及其缓存分配算法的研究与实现

论文摘要

随着半导体工艺的发展,单个硅片上可以集成几十个甚至是上百个的IP核。在如此庞大的系统中,各IP核之间的互连策略和方法,就成了影响片上系统性能、功耗、数据吞吐率等指标的重要因素。而近年来所提出的片上网络概念,被广泛的认为是解决当前片上系统中存在的问题的一种很好的解决方案。它借鉴和移植了计算机系统结构网络的概念及相关技术,有效的解决了总线结构所面临的问题。路由器是片上网络的主要组件之一,它负责实现不同的IP模块之间的数据通信,因此路由器的性能对整个片上网络的性能有很大的影响。而路由器的性能很大程度上取决于所采用的缓存策略。本文在分析分布式缓存路由器的数学模型的基础上,提出了集中缓存路由器的数学模型,为缓存分配算法提供模型基础,也为本文所设计的路由器的缓存分配策略奠定了理论依据。首先我们设计了一个基于分布式缓存路由器,为了实现其可重用性设计的目标,采用高度的参数化设计。并对其性能进行了仿真,根据试验结果分析了采用静态分配缓存存在的问题:线头阻塞、缓存利用率低等的问题。针对这些问题,本文提出了基于动态分配缓存的集中缓存路由器体系结构,有效的解决了线头阻塞和缓存利用率低的问题,并在此路由器上实现对QoS服务的支持。为了评测所提出的集中缓存路由器以及所提出的算法的性能,搭建了一个4×4的mesh网络周期精确仿真平台。并采用了均衡和非均衡两种流量模型对其进行仿真,仿真结果表明,在相同的缓存单元条件下,集中缓存路由器与分布式路由器和基于虚拟通道路由器相比其性能分别提高了100%和33%。集中缓存只要用50%缓存就可以达到基于虚拟通道的路由器所具有的性能。这有效的降低了系统的面积和功耗开销。实验结果还表明了基于系统的缓存分配算法要优于统一缓存分配方式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 NoC概念的提出
• 1.1.2 NoC研究动态
• 1.1.3 路由器－NoC的基本组件
• 1.2 研究现状分析
• 1.3 论文的主要研究内容
• 1.4 论文结构
• 第2章 路由器建模
• 2.1 引言
• 2.2 概念定义
• 2.3 分布式缓存路由器模型
• 2.4 集中缓存路由器的建模
• 2.5 本章小结
• 第3章 分布式路由器的设计
• 3.1 引言
• 3.2 分布式路由器的体系结构
• 3.2.1 输入通道
• 3.2.2 输出通道
• 3.3 异步FIFO的设计与实现
• 3.4 路由器的可重用性设计
• 3.5 路由接口
• 3.6 数据帧格式
• 3.7 实验与结果分析
• 3.7.1 NoC性能评估指标
• 3.7.2 综合结果
• 3.7.3 仿真结果与分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 集中式动态分配缓存路由器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 集中缓存路由器体系结构
• 4.2.1 路由器体系结构
• 4.2.2 路由器的内部控制逻辑
• 4.3 路由接口
• 4.4 数据帧格式
• 4.5 集中缓存路由器缓存分配算法
• 4.6 实验与结果分析
• 4.6.1 综合结果
• 4.6.2 不同缓存策略路由器仿真结果与分析
• 4.6.3 集中缓存分配算法性能仿真结果与分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢