支持多路由算法路由器结构设计及其性能评测

论文摘要

片上网络作为解决复杂SoC中全局通信问题的一种全新方案,一方面得到越来越多的研究机构的重视,另一方面面临着巨大的设计挑战。因为它既具有许多不同于传统片外网络的特点,也有不同于传统片上总线的独特之处。片上网络体系结构中路由器的设计是其中研究的一个非常重要的方面。本文在了解了国内外在该领域研究现状及相关研究方向的最新进展的基础上,制定了本课题支持多路由算法的片上网络路由器的设计和非规则2Dmesh拓扑结构下的路由器的解决方案的整体架构以及实现机制,主要包括拓扑结构,路由算法,交换机制,数据包格式,缓存策略,流控机制和仲裁机制等问题。在深入理解片上网络路由器相关理论的基础上,按照Top-Down的IC设计流程,本文完成了一个高性能、低延迟片上网络路由器（Mix Router）的设计及RTL级实现,同时完成了在非规则2Dmesh拓扑结构下的片上网络的路由解决方案。Mix Router在2Dmesh拓扑结构下,支持自适应和确定式路由算法的自动切换,采用了虫孔交换机制、输出虚拟排队策略、基于Credit的流控机制和Round-Robin的仲裁机制,路由器整个操作为两级流水,很好地降低了数据包发送的网络延迟。非规则2Dmesh拓扑结构下的解决方案,通过借用片外网络解决非规则拓扑结构的路由表思想与确定式路由算法相结合完成。路由表采用迪杰斯特拉算法实现,可以完成规则与不规则的任意网络拓扑结构下的路由表的生成,并考虑非规则拓扑结构的特点和非规则片上网络的实现成本,通过一定的机制复用已有的路由表,尽量减少路由表。为了验证上述方案的正确性,本文设计了一种路由表与确定式路由算法相结合的路由器（Irre Router）,并完成其RTL建模。该路由器除了采用上述的仲裁机制、缓存策略等机制外,并通过换象限机制有效的解决了非规则拓扑结构下的路径缺失引起的绕道路由问题。最后,本文利用一个已有的性能评估环境,提取并分析了Mix Router的网络性能数据,同时与本文另外设计的两个路由器作了性能比较。非规则路由器完成了性能评估,与全路由表路由器在路由表面积上进行了对比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 应用概述
• 1.1.2 工作原理
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 NoC的拓扑结构
• 1.2.2 NoC的体系结构
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 本文结构
• 第2章 片上网络路由器的基本理论
• 2.1 片上网络节点体系结构
• 2.2 片上网络路由器的基本理论
• 2.2.1 拓扑结构及路由算法
• 2.2.2 交换策略
• 2.2.3 数据包格式
• 2.2.4 缓存策略
• 2.2.5 流控机制
• 2.2.6 仲裁机制
• 2.3 虚拟通道
• 2.4 本章小结
• 第3章 片上网络路由器的设计
• 3.1 支持多路由算法路由器总体结构
• 3.1.1 输入模块的设计
• 3.1.2 象限模块设计
• 3.1.3 仲裁模块的设计
• 3.1.4 交叉开关模块设计
• 3.1.5 输出模块的设计
• 3.2 支持非规则2Dmesh拓扑结构路由器总体结构
• 3.2.1 迪杰斯特拉算法
• 3.2.2 路由表的设计
• 3.2.3 输入模块的设计
• 3.2.4 虚拟通道象限模块设计
• 3.2.5 其他模块的设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 片上网络路由器的性能
• 4.1 片上网络性能指标
• 4.1.1 平均网络延迟
• 4.1.2 吞吐率
• 4.1.3 链路利用率
• 4.2 网络性能评估结果与分析
• 4.2.1 Mix Router与自适应及确定式路由器的性能比较
• 4.2.2 非规则路由器的性能评估
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢