专利名称：一种面向片上网络的永久故障容错路由控制方法
技术领域：
本发明涉及计算机可靠性技术领域，尤其是一种面向片上网络的永久故障容错路由控制方法。
背景技术：
随着半导体工艺与多核技术的发展，芯片集成度达到前所未有的高度，超复杂系统相继出现，传统的片上系统(SoC，System on Chip)体系结构及其相应的设计方法成为片上系统发展的瓶颈。为此业界提出了一种基于网络和路由通信的片上网络(Networks on Chip,NoC)体系结构，其核心思想是利用分组交换技术取代硬连线，实现各功能部件之间的高速通信，从体系结构上彻底解决总线架构带来的问题。但是随着芯片越做越小，集成度越来越高，芯片中的互联线对串扰、耦合噪声、电磁干扰和工艺不稳定等深亚微米噪声源日益敏感，片上网络通信中会出现数据失效或功能部件失效等硬件故障，如路由失效、链路失效等，这大大降低了通信的可靠性和稳定性，从而影响了 NoC的性能。因此，片上网络必须采用容错机制来保证片上网络的通信可靠性。片上网络是片上系统发展到一定程度的产物，具有片上系统的特点，所以功耗是片上网络无法回避的问题。因此，在不考虑物理实现等工艺方面的要求，片上网络的性能主要表现在功耗、延时和容错性三个方面。片上网络的容错机制是利用网络拓扑结构和路由算法，在尽量不影响功耗、延时的情况下提高片上网络的性能，拓扑结构和路由算法是片上网络容错设计的基础。
发明内容
为了克服已有的片上网络容错机制的平均传输延迟较大、峰值功耗较大、NoC性能较低的不足，本发明提供一种有效降低平均传输延迟和峰值功耗、提高NoC性能的面向片上网络的永久故障容错路由控制方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种面向片上网络的永久故障容错路由控制方法，所述路由控制方法包括以下步骤1)确定一次通信的数据发送量，然后利用邻居置换元素优先级规则进行第一跳洪泛路由选择，具体过程如下首先，给出节点元素位置定义，节点的内部元素位置就是元素在节点中的排列位置，外部元素分为两种，当外部元素存在于目的节点中，其位置定义为0，如果外部元素不存在与目的节点中，则定义为-1 ；然后，根据排列环生成规则得到排列环组合，第一步是对内环进行优先级计算，根据首节点首元素是否相同我们确定最高优先级，然后根据内环排列依次优先级减1 ；接着是外环，利用到外环元素优先级规则，如果a的外部元素存在于目标节点b中，根据这些外部元素在b排列中的位置划分优先级，从b排列最后一个元素开始，如果首次碰到一个外部元素，则记录该元素在优先级表中，并给这个元素映射优先权值为内环元素最低优先级元素值减1，直到b的第一个元素结束，其中碰到外部元素，则添加到优先级表中，同时较上一个外部元素的权值减1 ；2)第一条之后的路由选择利用(n，k)-star graph节点排列环外部元素优先级规则选择确定性路由，其中就是指(n，k)-star graph，是一个无向图，顶点由<n>中取k 个数的全排列构成，η和k为两个整数，且1 < k < η ；a、b分别表示两个不同的节点，在Sn, k上，从a = B0B1. · · Bk^1到b = Kb1. · · V1的随机路由通信过程如下(2. 1)首先，根据邻居置换元素优先级规则得到除外的a中与其邻居相关的元素的优先级表，并计算出通信可靠阈值Kmin，同时生成Kmin份数据拷贝；(2.2)根据信息标志位判断是否为首次转发，如果是则进入O. 3)，如果不是则进 Λ (2. 4)；(2. 3)根据(2. 1)的Kmin值，从优先级表中得到Kmin个邻居置换元素，即优先级从高到低依次选取，节点a分别向Kmin个置换元素通过与节点a元素置换所得的邻居节点信息拷贝发送；(2. 4)根据信息中目的节点信息，生成排列环外部元素优先级表；2. 4. 1)如果彻= bi i ^ 0，那么将彻到第i个位置元素置换；如果置换后节点为坏点，则将与任意一个不包含的内环的任意元素置换；2. 4. 2)如果彻=bQ，那么将彻与任意一个不在其正确位置的符号交换。2. 4. 3)如果某个外环的外部符号在第一个位置， Φ by,ax为a的内部元素，by为 b的内部元素，那么将其与外环中没有固定的优先级最高的外部元素置换，如果有坏点则跳过到次优级元素置换，如果没有外部元素则置换，则与内圈不在其正确位置元素交换，如不成功，则说明链路不通。本发明的技术构思为本发明首次提出将(n，k)-star graph拓扑结构应用于片上网络。(n，k)-star graph 是 1995 年由 Wei-Kuo Chiang 和 Rong-Jaye Chen 提出，具有良好的拓扑性质结构规整，高对称性，高连通度，网络直径小等，其中最重要的是该结构具有特殊的排列环性质，排列环可以简化路由算法，也可以直接作为路由算法。(n，k)-star graph的拓扑特性使它适合作为片上网络的拓扑结构，采用一种适合片上网络的拓扑结构， 可以使片上网络的永久故障容错性能更好。永久故障在并行计算机网络中研究十分广泛，比如使用备用维的容错路由，基于深度优先搜索的容错路由，二维网格中绕过块形故障的容错路由等算法，但片上网络特殊性使这些容错路由算法无法直接应用于NoC。用于NoC的源路由算法、DR-NoC、带有强制方向的虫孔路由(FDWR)、改进的f-Cube2路由算法、概率安全向量算法等，是已经使用的几种永久故障容错算法，这些算法可以进行容错，但是却不能很好的解决NoC中延时敏感应用的延时敏感问题。因此，鉴于延时敏感应用主要是对延时的要求高，本发明提出将随机路由算法应用于片上网络，采用(n，k)-star graph排列环等拓扑性质，提出一种新的基于邻居置换元素优先级的随机路由重构算法，该算法旨在降低片上网络的延时，保证片上网络的通信可靠性和实时性。针对NoC的功耗敏感型应用和延时敏感型应用，本发明提出一种基于排列环外部元素优先级的确定性容错路由算法(简称PDPE算法)和一种基于邻居置换元素优先级的随机路由重构算法(简称PPN算法)。PDPE算法利用(n，k)-Star graph节点排列环外部元素优先级规则选择确定性路由，得到最短路径，如果优先级高的路由路径出现故障，则算法选择次优路径进行通信。PPN算法借鉴随机通信的优点，首先确定一次通信的数据发送量， 然后利用邻居置换元素优先级规则进行第一跳洪泛路由选择，第一跳之后的路由选择采用 PDPE算法进行。本发明的有益效果主要表现在有效降低平均传输延迟和峰值功耗、提高NoC性能。
图1 是 n = 4，k = 2 的(n，k) -star graph 实例的示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。参照图1，一种面向片上网络的永久故障容错路由控制方法，所述路由控制方法包括以下步骤1)确定一次通信的数据发送量，然后利用邻居置换元素优先级规则进行第一跳洪泛路由选择；2)第一条之后的路由选择利用(n，k)-star graph节点排列环外部元素优先级规则选择确定性路由。邻居置换元素优先级规则如下首先给出节点元素位置定义，节点的内部元素位置就是元素在节点中的排列位置，外部元素分为两种，当外部元素存在于目的节点中，其位置定义为0，如果外部元素不存在与目的节点中，则定义为-1。然后根据排列环生成规则得到排列环组合，第一步是对内环进行优先级计算，根据首节点首元素是否相同我们确定最高优先级，然后根据内环排列依次优先级减1 ；接着是外环，利用到外环元素优先级规则， 如果a的外部元素存在于目标节点b中，根据这些外部元素在b排列中的位置划分优先级， 从b排列最后一个元素开始，如果首次碰到一个外部元素，则记录该元素在优先级表中，并给这个元素映射优先权值为内环元素最低优先级元素值减1，直到b的第一个元素结束，其中碰到外部元素，则添加到优先级表中，同时较上一个外部元素的权值减1。根据新的排列环元素优先级规则以及随机路由通信的特点，本发明设计得到一个随机路由算法，算法如下在Sn,k上，从a = B0B1. · · Bh到b = ^b1. · · V1的随机路由通信算法。其中Sn,k就是指(n，k)-Star graph，是一个无向图，顶点由<n>中取k个数的全排列构成，η和k为两个整数，且1彡k < η ；a、b分别表示两个不同的节点。图 1 是一个 η = 4，k = 2 的(n，k) -star graph 实例。(2. 1)首先，根据邻居置换元素优先级规则得到a中与其邻居相关的元素( 除外)的优先级表，并计算出通信可靠阈值Kmin，同时生成Kmin份数据拷贝。(2. 2)根据信息标志位判断是否为首次转发，如果是则进入(2. 3)，如果不是则进入仗4)。(2. 3)根据步骤一 Kmin值，我们从优先级表中得到Kmin个邻居置换元素，即优先级从高到低依次选取，节点a分别向Kmin个置换元素通过与节点a元素置换所得的邻居节点信息拷贝发送。(2. 4)根据信息中目的节点信息，生成PDPE算法中定义的排列环外部元素优先级表。2. 4. 1)如果彻= bi, i ≠ 0，那么将彻到第i个位置元素置换；如果置换后节点为坏点，则将如与任意一个不包含如的内环的任意元素置换。2. 4. 2)如果彻a0=b0，那么将彻与任意一个不在其正确位置的符号交换。2. 4. 3)如果某个外环的外部符号在第一个位置，a≠by(ax为a的内部元素，by为 b的内部元素)，那么将其与外环中没有固定的优先级最高的外部元素置换，如果有坏点则跳过到次优级元素置换，如果没有外部元素可以置换，则与内圈不在其正确位置元素交换， 如不成功，则说明链路不通。
权利要求
1.一种面向片上网络的永久故障容错路由控制方法，其特征在于所述路由控制方法包括以下步骤1)确定一次通信的数据发送量，然后利用邻居置换元素优先级规则进行第一跳洪泛路由选择，具体过程如下首先，给出节点元素位置定义，节点的内部元素位置就是元素在节点中的排列位置，外部元素分为两种，当外部元素存在于目的节点中，其位置定义为0，如果外部元素不存在与目的节点中，则定义为-1 ；然后，根据排列环生成规则得到排列环组合，第一步是对内环进行优先级计算，根据首节点首元素是否相同我们确定最高优先级，然后根据内环排列依次优先级减1 ；接着是外环，利用到外环元素优先级规则，如果a的外部元素存在于目标节点b中，根据这些外部元素在b排列中的位置划分优先级，从b排列最后一个元素开始，如果首次碰到一个外部元素，则记录该元素在优先级表中，并给这个元素映射优先权值为内环元素最低优先级元素值减1，直到b的第一个元素结束，其中碰到外部元素，则添加到优先级表中，同时较上一个外部元素的权值减1 ；2)第一条之后的路由选择利用(n，k)-stargraph节点排列环外部元素优先级规则选择确定性路由，其中就是指(n，k)-star graph，是一个无向图，顶点由<n>中取k个数的全排列构成，η和k为两个整数，且1 < k < η ；a、b分别表示两个不同的节点，在Sn,k上， 从a = B0B1. · · Bk^1到b = Kb1. · · V1的随机路由通信过程如下(2. 1)首先，根据邻居置换元素优先级规则得到除外的a中与其邻居相关的元素的优先级表，并计算出通信可靠阈值Kmin，同时生成Kmin份数据拷贝；(2. 2)根据信息标志位判断是否为首次转发，如果是则进入(2. 3)，如果不是则进入 (2. 4)；(2.3)根据(2. 1)的Kmin值，从优先级表中得到Kmin个邻居置换元素，即优先级从高到低依次选取，节点a分别向Kmin个置换元素通过与节点a元素置换所得的邻居节点信息拷贝发送；(2. 4)根据信息中目的节点信息，生成排列环外部元素优先级表；·2.4. 1)如果彻=bi; i兴0，那么将彻到第i个位置元素置换；如果置换后节点为坏点，则将彻与任意一个不包含彻的内环的任意元素置换；·2. 4. 2)如果= Iv那么将与任意一个不在其正确位置的符号交换。·2. 4. 3)如果某个外环的外部符号在第一个位置， Φ by,ax为a的内部元素，by为b的内部元素，那么将其与外环中没有固定的优先级最高的外部元素置换，如果有坏点则跳过到次优级元素置换，如果没有外部元素则置换，则与内圈不在其正确位置元素交换，如不成功，则说明链路不通。
全文摘要
一种面向片上网络的永久故障容错路由控制方法，包括以下步骤1)确定一次通信的数据发送量，然后利用邻居置换元素优先级规则进行第一跳洪泛路由选择；2)第一条之后的路由选择利用(n，k)-star graph节点排列环外部元素优先级规则选择确定性路由。本发明提供一种有效降低平均传输延迟和峰值功耗、提高NoC性能的面向片上网络的永久故障容错路由控制方法。
文档编号H04L12/56GK102571608SQ201210050039
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者刘东升, 周怡, 王冰, 王蓓, 琚春华, 章敏, 许翀寰, 陈庭贵 申请人:浙江工商大学