寻找片上网络任务与节点间映射方案及网络编码位置方法
【专利摘要】本发明公开了一种寻找片上网络任务与节点间映射方案及网络编码位置方法，其针对多播应用在无线NoC上的映射，搜索最佳节点分配和路由选择方案时，不仅考虑单播任务总功耗与响应时间作为考核方案的优先指标，同时保证其中多播任务的吞吐率最大和多播任务的网络传输功耗最低。从而使采用此优选出来的方案设计出来的网络的性能达到最好，并且与其它对多个目标函数下寻找任务与节点间映射的优先方案的方法比较，具有复杂度，实现简单的特点。
【专利说明】寻找片上网络任务与节点间映射方案及网络编码位置方法
【技术领域】
[0001]本发明属于集成电路设计领域，特别针对无线片上网络的任务分配及网络编码路径与编码点位置的搜索过程，具体涉及一种用于寻找无线片上网络的任务与节点间映射方案及网络编码位置的方法。
【背景技术】
[0002]信息市场上，随着微芯片技术规模的不断扩大，使大规模片上系统成为可能。片上网络作为一种设计多核芯片的全新通信架构，能够很好地应对片上系统设计中复杂的芯片间全局通信问题。然而，归因于片上网络二维的金属连接，片上网络进行多跳传输时，存在高延时和高能耗问题，当处理器规模扩大时，片上网络系统可靠性也不能得到保障。无线片上网络(Wireless Network-on_Chip)用无线连接代替有线连接,在片上网络节点间插入更快的无线传输信道，增加片上网络节点的传输范围，减小多核系统中信息传输路径的跳数，以达到减小系统延时和能耗，增加系统吞吐率的目的，进一步提高系统整体性能。
[0003]网络编码是一种融合了编码和路由的信息交换技术，其核心思想是允许在网络中的中间节点进行信息处理，通过提高编码效率，来达到信息流的理论上界。网络编码可以提高网络的吞吐率带宽利用率、网络健壮性和安全性，并且在通信网络中具有广播的条件下，运用网络编码是一定可以达到香农定理提出的信息流速率的理论上界。而无线片上网络系统无线发射节点通常部署片上天线，可以很好地适应多播传输网络需要节点可以广播的要求。
[0004]通过查新和广泛收集文献资料，我们发现已经公开的用于寻找片上网络上任务与节点间映射方案的方法有如下几类:
[0005]文献“周干民，尹勇生，胡永华等.基于蚁群优化算法的NoC映射.计算机工程与应用.2005,41(18):7-10.”采用一种有效地蚁群优化算法实现了片上网络映射，在将任务映射到片上网络节点的同时，尽可能的减少了系统的通讯功耗。该方法的目标函数为功耗，该方法大致如下:
[0006]根据蚂蚁的个数循环地为每个未分配的节点按照概率分配任务(此概率是通过一种方式计算的将一个节点分配到某个任务的概率)，每循环一次都要使所有节点都分配到相应的任务，然后采用两交换法来进行局部搜索，找出功耗最小的最优解，并用最优解的功耗值信息素衰减度和当前信息素的值来更新最优解对应的蚂蚁的信息素，通过对上述过程多次迭代后，最后选出使功耗最小的分配方案。
[0007]这种方法获得的映射方案具有较小的通讯功耗，但没有考虑系统的延时性能。
[0008]文献“杨盛光，李丽，高明伦等.面向能耗和延时的NoC映射方法.电子学报.2008，36(5):937-942”基于二维网格结构NoC平台，建立了基于蚁群算法的旨在优化系统通信能耗和链路负载方差的统一目标函数。该方法的目标函数cost的计算式为:
[0009]cost= λ XE+(1-λ ) XVAR
[0010]其中，λ为比例系数，E为能耗，VAR为链路负载方差。该方法大致如下:[0011]根据蚂蚁的个数循环地为每个未分配的节点按照概率分配任务(概率是通过一种方式计算的将一个节点分配到某个任务的概率)，每循环一次都要使所有节点都分配到相应的任务，然后采用两交换法来进行局部搜索，找出功耗最小解，并用最优解的功耗值信息素衰减度和当前信息素的值来更新最优解对应的蚂蚁的信息素，通过对上述过程多次迭代后，最后选出使目标函数cost最小的分配方案。
[0012]这种方法没有考虑通信能耗和执行时间是完全不同的物理量，获得的映射方案不一定具有优异的性能。
[0013]文献Tang lei, Shashi Kumar.A two-step genetic algorithm for mapping taskgraphs to a network on chip architecture.Proceedings of the Euromicro Symposiumon Digital System Design2003.Antalya, Turkey:1EEE, 2003:180-187.提出一种米用两步遗传算法实现任务映射问题的方法。该方法大致如下:
[0014](I)首先假设任务流图中所有边的延时相等，为一常数，即平均数；为每个任务分配功能单元(如处理器、存储器等)，使得系统的总延时最小
[0015](2)使用真实的数据流图的边延时,进一步优化,将功能单元分配到NoC的节点上。
[0016]该方法将整个优化阶段分成了两个步骤，从而降低了计算的复杂度，缩短了计算时间，但获得的映射方案的能耗和延时不会同时最小。
[0017]文 献 Yiou Chen, Jianhao Hu, Gengsheng Chen, Xiang Ling.“Energy andDelay-Aware Mapping for Real-Time Digital Processing System on Network on Chipplatforms，，，in Proceedings of IEEE International System on Chip Conference, LasVegas, USA, 2010, pp.375-378.提出了一种新的从数据流图到NoC网络拓扑的映射方法MM-Map，实现不同规模的多点到多点的映射。文中提出了:
[0018](I)自主定义的数据流图，利用数据流图的权值和连接关系得出完整的链路信息，能够客观地反映映射前数字信号系统延时、功耗等性能参数。
[0019](2)选用基本遗传算法作为映射算法的原型，通过一些改进使算法能够适应NoC映射问题，以获得较好的算法收敛特性；同时针对映射目标建立功耗模型、延时模型和多目标模型，相比传统功耗和延时的数学模型，能更准确地表示映射前后系统的性能变化。
[0020]该映射方法原理简单、步骤更少、具有较好的应用价值。然而，该映射方法只能针对具有单播任务的应用，面对包含多播任务的应用，由于没有考虑多播任务映射后的相关性能，仍显欠缺。
【发明内容】
[0021]本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种用于寻找无线片上网络的任务与节点间映射方案及网络编码位置的方法，为多任务多节点的无线片上网络提出一种寻找使单播任务总功耗与响应时间同时最小。
[0022]本发明进一步的目的在于提供一种用于寻找无线片上网络的任务与节点间映射方案及网络编码位置的方法，保证多播任务的吞吐率最大和多播任务的网络传输功耗最低。
[0023]为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:[0024]一种寻找片上网络任务与节点间映射方案及网络编码位置方法，包括如下步骤:
[0025]I).随机生成一个包含K个分配方案的方案组并为每个分配方案
X= (X11 X2, , Xn)设定一个交叉的概率Ptask和变异的概率qtask，以及任务映射迭代次数Ttask,并令记录任务映射迭代的次数的变量ttask=0以及初始化已得到的方案个数Z=l，设置最大解个数Zmax ；
[0026]2).求出方案组4“中每种方案下无线片上网络单播任务功耗与响应时间，并且记录最大功耗与最大响应时间为最差功耗值和最差响应时间值；
[0027]3).计算出方案组Jw中各方案的适应度值,该适应度值大小反映方案的优先级，值越大优先级越高，所谓优先级别是按单播任务总功耗与响应时间小为优；
[0028]4).将方案组j中的K个方案随机分成f个方案小组，其中L是每方案小组中的
方案个数，按照第3步中确定的优先关系选出每方案小组中最优先的方案组成一个优先方案组CL.螫
[0029]5).将优先方案组Sel中的方案按随机配对，所述的配对是指按照两个方案一组进行分组，并以步骤I中设定的交叉的概率Pi将每对方案中的两个方案上任意一个相同位置上的节点的编号进行互换，然后再将所有被互换后的每对方案合并起来得到方案组(人,/.%
[0030]6).以步骤I中设定的变异概率qi改变方案组Gw'中各个方案中在任意一个位置上的节点的编号，得到方案组(1,? ；
[0031]7).按第3步计算出来的适应度值从小到大的顺序，从方案组f中选择1-#个
方案，与方案组《U的方案合并在一起，构成包含K个方案的新的方案组'.[0032]8).将方案组和Gw ’合并成方案组.[0033]9).计算方案 组I,,中每种方案下无线片上网络单播总功耗与响应时间。计算时，首先判断方案组中的每个方案的多播任务源和目的节点都是否映射到不同的无线片上网络节点上，如果是，则直接将最差功耗值和最差相应时间值赋值给本方案的功耗与响应时间值，如果不是，则计算方案组中每种方案下无线片上网络单播总功耗与响应时间。
[0034]10).将方案组夂.,中所有2K个方案分成多个小组，每个小组代表一个边界集，对小组编号，编号较小的小组里的方案比编号较大的小组的方案的优先级高；所谓优先级别是按功耗与响应时间小为优。
[0035]11).初始化一个新的没有方案的方案组,然后从第10步骤分好的小组中，按
小组的编号从大到小的顺序，依次将小组内的方案加入到中，直到方案组/^里的方案个数超过K个，然后将最后加入的小组的方案全部取出。
[0036]12).第10)步中，确定每个小组中各方案的优先次序的具体方法步骤如下:
[0037]12-1令小组中每个方案的距离值为0，所述的距离值表示该方案与其它方案的联系是否紧密。[0038]12-2根据第9)步计算出的各个方案的功耗的大小对方案进行倒序排列，功耗较小的方案排在功耗较大的方案的前面，
[0039]12-3计算各方案的功耗距离，每个方案的功耗距离为排在它后面的那个方案的功耗减去排在它前面的那个方案的功耗所得到的值，
[0040]12-4根据第9)步计算出的各个方案的响应时间大小对方案进行倒序排列，响应时间较小的方案排在响应时间较大的方案的前面，
[0041]12-5计算各方案的响应时间距离，每个方案的响应时间距离为排在它后面的那个方案的响应时间减去排在它前面的那个方案的响应时间所得到的值，
[0042]12-6将各个方案的响应时间距离和功耗距离相加得到方案的距离值，
[0043]12-7把功耗最小的方案和响应时间最小的方案排在最前面,然后根据距离大小对剩余的方案进行排序，并排在功耗最小的方案和响应时间最小的方案的后面，距离值较大的方案排在距离值较小的方案的前面，这样排在前面的方案的优先级比排在后面的方案的优先级高。
[0044]13).从第12)步骤里取出的小组里按优先级高低选择方案加入方案组I,*，直到方案组I,?里的方案个数为K个。
[0045]14).将方案组F中的K个方案随机分成
【权利要求】
1.一种寻找片上网络任务与节点间映射方案及网络编码位置方法，其特征在于，包括如下步骤: . 1).随机生成一个包含K个分配方案的方案组Z4iii?并为每个分配方案X= (X1, X2, , Xn)设定一个交叉的概率Ptask和变异的概率qtask，以及任务映射迭代次数Ttask,并令记录任务映射迭代的次数的变量ttask=0以及初始化已得到的方案个数Z=l，设置最大解个数Zmax ； .2).求出方案组中每种方案下无线片上网络单播任务功耗与响应时间，并且记录最大功耗与最大响应时间为最差功耗值和最差响应时间值； . 3).计算出方案组中各方案的适应度值，该适应度值大小反映方案的优先级，值越大优先级越高，所谓优先级别是按单播任务总功耗与响应时间小为优； .4).将方案组，中的K个方案随机分成7个方案小组，其中L是每方案小组中的方案 个数，按照第3步中确定的优先关系选出每方案小组中最优先的方案组成一个优先方案组 . 5).将优先方案组Qtml中的方案按随机配对，所述的配对是指按照两个方案一组进行分组，并以步骤I中设定的交叉的概率Pi将每对方案中的两个方案上任意一个相同位置上的节点的编号进行互换，然后再将所有被互换后的每对方案合并起来得到方案组_: . 6).以步骤I中设定的变异概率Qi改变方案组{?,^中各个方案中在任意一个位置上的节点的编号，得到方案组,; . 7).按第3步计算出来的适应度值从小到大的顺序，从方案组j中选择1-f个方案，与方案组G, t的方案合并在一起，构成包含K个方案的新的方案组*.8).将方案组Jw和合并成方案组@-.9).计算方案组罵_,中每种方案下无线片上网络单播总功耗与响应时间。计算时，首先判断方案组中的每个方案的多播任务源和目的节点都是否映射到不同的无线片上网络节点上，如果是，则直接将最差功耗值和最差相应时间值赋值给本方案的功耗与响应时间值，如果不是，则计算方案组萬^中每种方案下无线片上网络单播总功耗与响应时间； . 10).将方案组氧^中所有2K个方案分成多个小组，每个小组代表一个边界集，对小组编号，编号较小的小组里的方案比编号较大的小组的方案的优先级高；所谓优先级别是按功耗与响应时间小为优； .11).初始化一个新的没有方案的方案组1，然后从第10步骤分好的小组中，按小组的编号从大到小的顺序，依次将小组内的方案加入到14中，直到方案组I里的方案个数超过K个，然后将最后加入的小组的方案全部取出； . 12).第10)步中，确定每个小组中各方案的优先次序的具体方法步骤如下:. 12-1令小组中每个方案的距离值为O，所述的距离值表示该方案与其它方案的联系是否紧密； .12-2根据第9)步计算出的各个方案的功耗的大小对方案进行倒序排列，功耗较小的方案排在功耗较大的方案的前面； .12-3计算各方案的功耗距离，每个方案的功耗距离为排在它后面的那个方案的功耗减去排在它前面的那个方案的功耗所得到的值； .12-4根据第9)步计算出的各个方案的响应时间大小对方案进行倒序排列，响应时间较小的方案排在响应时间较大的方案的前面； .12-5计算各方案的响应时间距离，每个方案的响应时间距离为排在它后面的那个方案的响应时间减去排 在它前面的那个方案的响应时间所得到的值； .12-6将各个方案的响应时间距离和功耗距离相加得到方案的距离值； .12-7把功耗最小的方案和响应时间最小的方案排在最前面,然后根据距离大小对剩余的方案进行排序，并排在功耗最小的方案和响应时间最小的方案的后面，距离值较大的方案排在距离值较小的方案的前面，这样排在前面的方案的优先级比排在后面的方案的优先级闻; .13).从第12)步骤里取出的小组里按优先级高低选择方案加入方案组4?，直到方案组里的方案个数为K个；
jr .14).将方案组,中的K个方案随机分成了个方案小组，其中L是每方案小组中的方案个数，按照第10)步和第12)步确定的优先关系选出每方案小组中最优先的方案组成一个优先方案组； . 15).将优先方案组中的方案再随机配对，以步骤I)中设定的交叉的概率Ptask将每对方案中的两个方案上任意一个相同位置上的节点的编号进行互换，然后再将所有被互换后的每对方案合并起来得到方案组义.?.； .16).以步骤I)中设定的变异的概率qtask改变方案组中各个方案中在任意一个位置上的节点的编号，得到方案组11W ’ ； . 17).根据第10)步确定的方案组中方案的优先次序，按照优先级从高到低的顺序，从方案组/..中选择I个方案，与方案组I ,的方案合并在一起，构成包含K个方案的新的方案组I ； . 18.如果ttask〈Ttask，则ttask=ttask+l，然后返回到步骤2)，继续迭代；否则进入步骤19)；.19).计算出方案组Λ—中各方案的适应度值，将适应度值最大的方案，即功耗和响应时间同时最小的方案Jmin作为无线片上网络的任务到节点间的任务映射方案。
2.根据权利要求1所述的寻找片上网络任务与节点间映射方案及网络编码位置方法，其特征在于，第2)步中计算每种映射方案下无线片上网络单播任务功耗与响应时间任务的方法如下:任务映射中所述的无线片上网络的功耗为所有处理节点的功耗与节点间数据传输功耗之和；任务映射中所述的响应时间为从输入到输出的最长路径延时，包含路径中所有任务的处理延时与任务之间数据交换的传输时间。
3.根据权利要求1或2所述的寻找片上网络任务与节点间映射方案及网络编码位置方法，其特征在于，还包括如下步骤: `1.根据任务映射得到的方案Jmin，确定多播任务源任务和目的任务在无线片上网络的映射节点位置Aa- =和I*3 =(W"X4)-根据任务流图中的多播任务间关系，从Xsource剔除孤立的多播任务源节点映射的无线片上网络的节点，剩下具有胶联关系的多播任务源任务及其目的任务所映射的节点集合，分别用向量和足Vv = (X,/"XJ: ,---xJm )表不； ` i1.计算X_TCe’中每个源节点到Xdes’中每个目的节点的所有路径，用矩阵total_path记录所有路径，a=j*m, path_ID= Lb1, b2,...bj记录每个源到每个目的节点的路径总数； ii1.用向量Scheme=G1, y2,...ya)来表示编码路径选择的一种方案；yk表示本次编码路径选择方案中的一条路径的编号，此条路径即是total_path上的第+Λ条路径；随机生成一个包含P个分配方案的方案组0_，并为每个编码路径方案Scheme= (γ1； y2,...yj设定一个交叉的概率Pcwding和变异的概率Qrading,以及编码映射迭代次数Trading,并令记录迭代的次数的变量tMding=0 ； ?ν.求出方案组中每种方案下多播任务的吞吐率与网络传输功耗； V.计算出方案组錢_中各方案的适应度值，该适应度值大小反映方案的优先级，值越大优先级越高，所谓优先级别是按多播任务传输吞吐率大与网络功耗小为优； v1.将方案组0 中的P个方案随机分成§个方案小组，其中N是每方案小组中的方案个数，按照第V步中确定的优先关系选出每方案小组中最优先的方案组成一个优先方案
Vi1.将优先方案组中的方案按随机配对，所述的配对是指按照两个方案一组进行分组，并以步骤i中设定的交叉的概率Prading将每对方案中的两个方案上任意一个相同位置上的节点的编号进行互换，然后再将所有被互换后的每对方案合并起来得到方案组Jt ' Vii1.以步骤i中设定的变异概率qMding改变方案组中各个方案中在任意一个位置上的节点的编号，得到方案组g?*?.I ix.按第V步计算出来的适应度值从小到大的顺序，从方案组"中选择P-:个方案，与方案组2^的方案合并在一起，构成包含K个方案的新的方案组^_ '- X.将方案组β w和Ζ,'合并成方案组1^.'i Utimf.--.η*.-/，X1.按照步骤iv的方法计算方案组中每种方案下多播任务吞吐率和网络功耗； xi1.将方案组巧, 中的2P个方案分成多个小组，每个小组代表一个边界集，对小组编号，编号较小的小组里的方案比编号较大的小组的方案的优先级高；所谓优先级别是按吞吐率大与网络功耗小为优； xii1.初始化一个新的没有方案的方案组，然后从第xii步骤分好的小组中，按小组的编号从大到小的顺序，依次将小组内的方案加入到中，直到方案组里的方案个数超过P个，然后将最后加入的小组的方案全部取出； xiv.确定第xii步中每个小组中各方案的优先次序，具体方法如下: xiv-1令小组中每个方案的距离值为O，所述的距离值表示该方案与其它方案的联系是否紧密； xiv-2根据第xi步计算出的各个方案的网络功耗的大小对方案进行倒序排列，功耗较小的方案排在功耗较大的方案的前面； xiv-3计算各方案的网络功耗距离，每个方案的功耗距离为排在它后面的那个方案的功耗减去排在它前面的那个方案的功耗所得到的值； xiv-4根据第xi步计算出的各个方案的吞吐率大小对方案进行排列,吞吐率较大的方案排在吞吐率较小的方案的前面； xiv-5计算各方案的吞吐率距离，每个方案的吞吐率距离为排在它后面的那个方案的吞吐率减去排在它前面的那个方案的吞吐率所得到的值； xiv-6将各个方案的吞吐率距离和功耗距离相加得到方案的距离值；xiv-7把吞吐率最大的方案和网络功耗最小的方案排在最前面,然后根据距离大小对剩余的方案进行排序，并排在吞吐率最大的方案和网络功耗最小的方案的后面，距离值较大的方案排在距离值较小的方案的前面，这样排在前面的方案的优先级比排在后面的方案的优先级高； XV.从经过了第Xiii步里取出的小组里按优先级高低选择方案加入方案组匕一，直到方案组fLis里的方案个数为P个； xv1.将方案组{/中的P个方案随机分成f个方案小组，其中L是每方案小组中的方案个数，按照第xii步和xiv步确定的优先关系选出每方案小组中最优先的方案组成一个优先方案组Vt’ ； xvi1.将优先方案组Vt’中的方案再随机配对，以步骤iii中设定的交叉的概率Prading将每对方案中的两个方案上任意一个相同位置上的节点的编号进行互换，然后再将所有被`互换后的每对方案合并起来得到方案组1_.f xvii1.以步骤iii中设定的变异的概率qrading改变方案组\^中各个方案中在任意一个位置上的节点的编号，得到方案组'.I xix.根据第xii步确定的方案组1_中方案的优先次序，按照优先级从高到低的顺序，从方案组F中选择P-1个方案，与方案组1.的方案合并在一起，构成包含P个方案的新的方案组^.*".XX.如果tMding〈Trading,则trading=te()ding+l,然后返回到步骤iv,否则进入步骤XXi ； xx1.计算出方案组ft#中各方案的适应度值,将适应度值最大的方案，即网络传输功耗最小和吞吐率同时最大的方案作为无线片上网络编码映射的一个映射方案； xxi1.判断此时得到的编码映射方案吞吐率是否为第iv步规定的极小值，以及功耗是否为第iv步规定的极大值，如果吞吐率不是极小值且功耗不是极大值，则记录这个映射方案，同时Z=Z+1，然后进入步骤xxiii ;否则，返回步骤2)； xxii1.如果Z< Zmax,则返回步骤2),否则,进入步骤xxiv ; xxiv.计算Zmax个映射方案的适应度值，选择适应度值最大的方案，即多播任务吞吐率最大和多播任务传输功耗最小的方案作为最终映射选择方案，并且记录编码映射选择的路径及编码点的编号。
4.根据权利要求3所述的寻找片上网络任务与节点间映射方案及网络编码位置方法，其特征在于，上述第iV步骤中，求解方案组中每种方案下多播任务的吞吐率与网络传输功耗的方法如下: 计算每种方案下的吞吐率和网络传输功耗时，首先判断此方案的路径组合是否满足多播任务传输能够达到最大多播速率的条件；若满足能够达到最大多播速率的条件，得到此路径组合的编码点，并且计算此映射方案的吞吐率和网络传输功耗；若不能达到最大多播速率的条件，则此映射方案多播任务的吞吐率为一个极小值，此映射方案多播任务传输的网络功耗为一个极大值；所述的网络传输功耗指网络中无线路由节点进行数据传输带来的功耗，包括节点的仲裁功耗、编码功耗和无线信道传输功耗； 所述的多播任务传输吞吐率按下式计算:
5.根据权利要求4所述的寻找片上网络任务与节点间映射方案及网络编码位置方法，其特征在于，上述第ii步中，total_path的计算方法以无线NoC采用的Mesh拓扑结构与路由算法相关连，具体步骤为: i1-1Xsource'有j个源节点,Xdes’有m个目的节点；bQ=0 ;令标号x=l, y=l ;对一个a=j*m维数组PathJD=Hb1, b2,...bj赋值,具体为:
(1)令p=l, q=l; (2)选择XstjurJ中第P个源节点(令其节点编号为ns)和XdJ的第q个目的节点(令其节点编号为nd)，根据它们的节点编号求出它们在Mesh拓扑上的坐标是(xs，ys)和(xd，yd)；其中，
【文档编号】H04W40/10GK103428804SQ201310330608
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年7月31日 优先权日:2013年7月31日
【发明者】陈亦欧, 胡剑浩, 赵竞, 凌翔 申请人:电子科技大学