本发明属于集成电路芯片设计的应用
技术领域：
：，特别是一种无线片上网络中无线节点级和无线链路级拥塞避免模块及其机制。
背景技术：
：：传统平面金属互连的片上网络NoC，数据包从源路由器传至目的路由器通常需要多跳，随着核数目的不断增加，数据包的平均传输路径不断变长，NoC出现了网络延迟高、吞吐率低以及高功耗等问题。常见的3D片上网络NoC、光互连NoC以及射频RF互连片上网络NoC均受当前制造工艺约束，此时研究者们开始重点研究无线互连片上网络WiNoC。WiNoC中无线节点承载着更多的数据通信任务，因此容易出现无线节点级的拥塞。如图2中(a)(b)(c)所示造成无线节点级拥塞的数据可能来源于周边节点的有线信号，也可能来源于网络中其它无线节点传输的无线信号，如图2中(d)。针对有线信号造成的无线节点级拥塞问题，Credit-BasedFlowControl机制、基于分布式路由算法的流控机制、基于NePA阵列的WiNoC、混合WiNoC拓扑2-LevelHybridMesh等机制有效的避免有线节点向拥塞的无线节点发送数据包，从而缓解网络的拥塞程度。然而，无线节点之间通过广播进行数据交换，同一个无线节点可能连续接收到多个无线节点传输的数据，这种多对一的传输关系考验着无线节点的处理运算能力。如果不能避免无线信号流向拥塞状态较严重的节点，则会加剧节点的拥塞程度。基于毫米波技术的无线片上网络中，无线信道是共享资源。同一时刻，只能有一个无线节点可以占用信道进行数据传输。当多个节点同时竞争使用无线信道时，就会产生访问冲突引起无线链路级的拥塞问题，降低信道利用率和网络的吞吐量。因此只有降低无线资源的竞争频率才能解决无线链路级拥塞问题。技术实现要素：本发明是为了避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种无线片上网络中无线节点级和无线链路级的拥塞避免模块及其机制，以期能动态感知其余无线节点的拥塞状态并降低无线资源的竞争频率，从而能避免无线节点级和无线链路级的拥塞。本发明解决技术问题所采用的技术方案是：本发明一种无线片上网络中无线节点级和无线链路级的拥塞避免模块，是应用于由若干个无线路由器和若干个有线路由器所构成的无线片上网络中，任意一个无线路由器是由有线路由器和无线接口构成；所述无线接口包括：发送端的发送数据缓冲区、接收端的接收数据缓冲区；其特点是：在所述无线接口中的发送端和接收端之间设置有虚拟通道选择单元VCSelector、拥塞信息生成单元GCI、优先发送仲裁单元PSA、拥塞信息数据包输出缓冲区CPBo和拥塞信息数据包输入缓冲区CPBi；设置所述发送数据缓冲区和接收数据缓冲区是由m个相同的先进先出缓冲队列构成，且所述发送数据缓冲区分为n个虚拟通道，分别用于存放不同的目的无线节点地址的数据包；将任意一个无线路由器记为当前无线路由器，所述当前无线路由器需要发送由若干个Flit组成的数据包时，所述当前无线路由器的虚拟通道选择单元VCSelector根据所述数据包的目的地址选通对应的一个虚拟通道；若所述当前无线路由器竞争到无线资源时，所述拥塞信息生成单元GCI生成本地拥塞状态数据包并存入所述拥塞信息数据包输出缓冲区CIPo中，所述当前无线路由器的优先发送仲裁单元PSA控制所述拥塞信息数据包输出缓冲区CIPo将所存储的本地拥塞状态数据包通过所述发送端广播至其他无线路由器；所述当前无线路由器的优先发送仲裁单元PSA再根据自身所存储的拥塞信息表中目的无线节点地址的拥塞状态，选通所述发送数据缓冲区中最不拥塞的虚拟通道，用于发送相应的数据包；若所述当前无线路由器没有竞争到无线资源时，所述当前无线路由器的接收端接收所述无线片上网络中其他无线路由器发送的数据包；并通过所述拥塞信息数据包输入缓冲区CIPi将所接收的数据包中的拥塞信息数据包进行存储，用于提供给所述优先发送仲裁单元PSA进行解析，而其余数据包直接存入所述接收数据缓冲区中。本发明所述的拥塞避免模块的特点也在于，所述优先发送仲裁单元PSA模块由管理拥塞信息模块MCI和拥塞节点比较模块CNC组成；所述管理拥塞信息模块MCI解析所述拥塞信息数据包，得到其他无线路由器的拥塞状态并存入所述拥塞信息表中；所述拥塞节点比较模块CNC从所述拥塞信息表中读取其他无线路由器的拥塞状态并进行比较，得到拥塞状态的最小值所对应的虚拟通道响应信号用于选通对应的一个虚拟通道。所述拥塞信息生成单元GCI是由一个计数器Counter和拥塞数据包生成单元CongestPacketGenerator组成；所述计数器Counter统计所述接收数据缓冲区中存放的Flit数目，当所述接收数据缓冲区输入一个Flit时，所述计数器Counter加1；当接收数据缓冲区输出一个Flit时，所述计数器Counter减1；所述拥塞数据包生成单元CongestPacketGenerator根据所述计数器Counter的值生成本地拥塞状态数据包。本发明一种无线片上网络中无线节点级和无线链路级的拥塞避免机制，是应用于有若干个无线路由器和若干个有线路由器所构成的无线片上网络中，任意一个无线路由器是由有线路由器和无线接口构成；所述无线接口包括：发送端的发送数据缓冲区、接收端的接收数据缓冲区；其特点也在于，所述拥塞避免机制是按如下步骤进行：步骤1、将任意一个无线路由器记为当前无线路由器，所述当前无线路由器根据所述接收数据缓冲区中存放的Flit数目生成本地拥塞状态数据包；步骤2、若所述当前无线路由器竞争到无线资源时，则执行步骤3、否则，表示所述当前无线路由器没有竞争到无线资源，则执行步骤4；步骤3、所述当前无线路由器将所述本地拥塞状态数据包广播至其他无线路由器；所述当前无线路由器再根据自身所存储的拥塞信息表中目的无线节点地址的拥塞状态，选通所述发送数据缓冲区中最不拥塞的虚拟通道，用于发送相应的数据包；步骤4、所述当前无线路由器的接收端接收其他无线路由器的拥塞信息数据包并进行解析，得到其他无线路由器的拥塞信息并存入拥塞信息表中。与已有技术相比，本发明效果体现在：1、本发明提出了无线片上网络中无线节点级和无线链路级的拥塞避免模块及其机制，使用设置在无线接口中的拥塞信息生成模块，产生本地无线节点拥塞信息数据包；使用设置在无线接口中的优先发送仲裁模块决策出目的节点拥塞状态最轻微的数据包，无线节点竞争无线资源成功时优先发送该数据包，从而避免了无线节点级的拥塞问题；无线接口缓冲区使用并行输出队列允许无线接口可以在一个周期内传输更多的数据信息，以此减少了无线资源竞争频率，从而避免了无线链路级的拥塞问题。本发明增加了少量的面积开销，达到了无线节点级和无线链路级的拥塞避免，全面提高了网络的性能，并且达到了无线资源的高效利用。2、本发明设计了拥塞信息生成单元GCI，由一个计数器Counter，拥塞数据包生成器(CongestPacketGenerator)组成。计数器Counter统计所述接收数据缓冲区中存放的Flit数目，拥塞数据包生成单元CongestPacketGenerator根据所述计数器Counter的值生成本地拥塞状态数据包。无线节点通过广播该本地拥塞状态数据包，可以相互感知彼此拥塞状态，进而在发送数据包时避免了向拥塞较严重的无线节点发送数据包。3、本发明设计了优先发送仲裁单元PSA，其中，管理拥塞信息(ManagerCongestInformation，MCI)模块解析RX端接收的CIP，将拥塞状态信息写入拥塞信息表(Congest_inftable)中；拥塞节点比较器(CongestNodeComparator，CNC)模块从Congest_infTable中读取Congest_inf，比较其余WR的拥塞程度。当无线节点竞争到无线资源时，发送端可以根据优先发送仲裁单元PSA决策出的目的节点拥塞程度，优先选择发送目的节点拥塞最轻微的Flit，从而避免了无线节点级的拥塞问题。4、本发明考虑到mm-wave信道的数据传输速率较快，只要充分利用无线资源，在一个时钟周期内传输更多的数据，那么传输相同规模的数据占用的时钟周期将会大幅减少，从而达到降低了竞争无线资源频率的目的。在无线接口中设计了并行的先进先出缓冲队列，无线接口以流水的方式，在单个时钟周期内传输一个拥塞信息数据包和三个数据微片，数学建模证明使用并行的先进先出缓冲队列至少降低50％无线信道竞争频率，从而避免了无线链路级拥塞，提高了无线资源利用率。附图说明图1是现有技术中无线接口架构示意图；图2是现有技术中导致节点拥塞的数据流类型图；图3是本发明中WR架构图；图4是本发明中GCI内部逻辑结构示意图；图5是本发明中VCSelect和PSA内部逻辑结构设计图；图6是本发明中(2,2)节点WI中OutputBuffer的存储状态；图7是本发明中(2,2)节点WI中Congest_infTable值；图8是本发明中并行FIFO设计逻辑图。具体实施方式本实施例中，一种无线片上网络中无线节点级和无线链路级的拥塞避免模块，是应用于由若干个无线路由器和若干个有线路由器所构成的无线片上网络中，任意一个无线路由器是由有线路由器和无线接口构成；如图1所示，无线接口包括：发送端的发送数据缓冲区OutputBuffer、接收端的接收数据缓冲区InputBuffer。无线片上网络中，根据发生拥塞的节点不同可以分为有线路由节点拥塞和无线路由节点拥塞，节点拥塞是由大量的并发数据到达同一路由器时，由于路由器的处理速度有限，大量的Flit被阻塞在路由器输入缓冲区中形成拥塞，一旦超出缓存容量，数据包将会丢弃，并且丢弃的数据包在重传时会加剧网络的拥塞。无线节点承载着更多的数据通信任务，因此无线路由节点更容易出现拥塞。图2展示了网络中导致节点拥塞的数据类型，其中(a)与(b)示意来自周边有线路由节点或者无线路由节点的有线信号可能会导致有线路由节点拥塞，(c)示意周边有线路由节点的有线信号也会导致无线路由节点出现拥塞。针对有线信号造成的无线节点级拥塞问题，Credit-BasedFlowControl机制、基于分布式路由算法的流控机制、基于NePA阵列的无线片上网络WiNoC、混合无线片上网络WiNoC拓扑2-LevelHybridMesh等机制有效的避免有线节点向拥塞的无线节点发送数据包，从而缓解网络的拥塞程度。然而，无线节点之间通过广播进行数据交换，同一个无线节点可能连续接收到多个无线节点传输的数据，这种多对一的传输关系考验着无线节点的处理运算能力。如果不能避免无线信号流向拥塞状态较严重的节点，则会加剧节点的拥塞程度。本发明首先针对该拥塞问题，在无线接口中的发送端和接收端之间设置有虚拟通道选择单元VCSelector、拥塞信息生成单元GCI、优先发送仲裁单元PSA、拥塞信息数据包输出缓冲区CPBo和拥塞信息数据包输入缓冲区CPBi，实现了无线节点级的拥塞避免设计，如图3所示。无线信道是共享资源，同一时刻，只能有一个无线节点可以占用无线信道进行数据传输，当网络中多个无线节点同时竞争使用无线信道时，就会产生访问冲突引起无线链路级的拥塞。基准VC路由器为了避免缓存压力，通常采用虫孔交换技术，一个数据包被分割成为数个微片Flit，包括一个头微片HeadFlit，数个数据微片BodyFlit和一个尾微片TailFlit，并且以Flit大小作为网络流控单位，一般为16位或者32位。无线接口WI每发送一个Flit，就需要竞争一次无线信道。毫米波信号的频率为10GHz到100GHz之间，sub-THz信号的频率在100GHz到1000GHz之间。不管使用半导体硅工艺还是碳纳米管工艺，片上天线的数据传输速率都将达到数百GHz[13]。综上，单个时钟周期内我们可以利用片上天线传输更多的数据，进而降低网络中竞争无线信道的频率。在无线接口WI中将所有Flit封装成为一个无线数据包，再通过片上天线一次性传输，可以降低信道竞争频率，提高信道竞争成功率，并且降低大量传输功耗。但是无线接口WI在进行数据包封装和解封装时，需要很大的缓存容量。当芯片时钟频率为1GHz，网络流控位宽为16bit，片上天线数据传输速率64GHz时，片上天线在一个芯片时钟周期T内可以传输4个16bit的数据[19]。本发明以此为基础提出了无线链路级的拥塞避免机制，无线接口WI中发送数据缓冲区和接收数据缓冲区使用m个相同的并行先进先出缓冲队列，且发送数据缓冲区分为n个虚拟通道，分别用于存放不同的目的无线节点地址的数据包；无线路由节点WR每竞争到一次无线资源，便采用流水的方式读取4个16bit数据，并且通过片上天线传输出去。数学建模证实，无线片上网络WiNoC在注入流量相同时，并行先进先出缓冲队列的设计使得信道传输周期大幅减少，因此可以降低信道竞争频率，缓解了网络出现无线链路级的拥塞问题。将任意一个无线路由器记为当前无线路由器，当前无线路由器需要发送由若干个Flit组成的数据包时，如图5中(a)所示，当前无线路由器的虚拟通道选择单元VCSelector根据数据包的目的地址选通对应的一个虚拟通道。如图4所示，拥塞信息生成单元GCI内部逻辑结构，由一个计数器Counter，拥塞数据包生成器CongestPacketGenerator组成。图中虚线框为拥塞信息数据包CIP的组成部分，前8位表示当前无线路由节点地址域，后8位为当前无线接口WI输入缓冲区拥塞状态域，拥塞状态域值即是当前无线接口WI的接收端缓冲区Buffer中已经存储的Flit个数。计数器Counter统计无线接口WI中输入缓冲区InputBuffer已经存放的Flit数目，当输入缓冲区InputBuffer输入一个Flit时，计数器Counter加1；当输入缓冲区InputBuffer输出一个Flit时，计数器Counter减1。拥塞数据包生成器CongestPacketGenerator根据计数器Counter的值生成本地拥塞信息数据包CIP，并且存储到拥塞信息数据包输出缓冲区CPBo中。如图5中的(b)所示，优先发送仲裁单元PSA模块由管理拥塞信息模块MCI和拥塞节点比较模块CNC组成，其中，管理拥塞信息MCI模块解析RX端接收的本地拥塞信息数据包CIP，将拥塞状态信息写入拥塞信息表Congest_inftable中；拥塞节点比较器CNC模块从Congest_infTable中读取Congest_inf，比较其余无线路由器WR的拥塞程度，得到拥塞状态的最小值所对应的虚拟通道响应信号用于选通对应的一个虚拟通道。若当前无线路由器竞争到无线资源时，拥塞信息生成单元GCI生成本地拥塞状态数据包并存入拥塞信息数据包输出缓冲区CIPo中，当前无线路由器的优先发送仲裁单元PSA控制拥塞信息数据包输出缓冲区CIPo将所存储的本地拥塞状态数据包通过发送端广播至其他无线路由器；当前无线路由器的优先发送仲裁单元PSA再根据自身所存储的拥塞信息表中目的无线节点地址的拥塞状态，选通发送数据缓冲区中最不拥塞的虚拟通道，用于发送相应的数据包；若当前无线路由器没有竞争到无线资源时，当前无线路由器的接收端接收无线片上网络中其他无线路由器发送的数据包；并通过拥塞信息数据包输入缓冲区CIPi将所接收的数据包中的拥塞信息数据包进行存储，用于提供给优先发送仲裁单元PSA进行解析，而其余数据包直接存入接收数据缓冲区中，如图6所示，无线接口WI接收端接收到的拥塞信息数据包CIP为0010011100010101，地址域为00100111，拥塞状态域为00010101，可知无线节点(2,7)的无线接口WI中输入缓冲区InputBuffer已经存放了21个Flit，此时管理拥塞信息模块MCI将00010101写入拥塞信息表Congest_infTable的第二行拥塞信息Congest_inf域中。本文设计无线接口WI输出缓冲区OutputBuffer中每个虚拟通道VC可以存储9个Flit，共可以存储27个Flit，同样输入缓冲区InputBuffer可以存放27个Flit。若T1时刻节点(2,2)竞争无线信道资源成功，图6为节点(2,2)的无线接口WI的输出缓冲区OutputBuffer存储状态，图7为节点(2,2)的无线接口WI的拥塞信息表Congest_infTable示意图。节点(2,2)将发往节点(7,2)的Flit存放到中，发往节点(2,7)的Flit存放到中，发往节点(7,7)的Flit存放到中。由图6可知数据包A请求发向节点(7,2)，数据包B请求发向节点(2,7)，数据包C请求发向节点(7,7)。由图7的拥塞信息表Congest_infTable得知，节点(7,2)中无线接口WI的输入缓冲区InputBuffer已经存放24个Flit，节点(2,7)中无线接口WI的输入缓冲区InputBuffer已经存放21个Flit，节点(7,7)中无线接口WI的输入缓冲区InputBuffer已经存放15个Flit。在没有使用本发明的情况下，若数据包A率先到达无线接口WI，T1时刻便会广播数据包A，然而节点(7,2)的输入缓冲区InputBuffer的存储状态已经达到临界值，存储不下的数据包A将会被丢弃并通知节点(2,2)重传，造成了不必要的延迟和功耗。本发明设计中，拥塞节点比较器CNC决策过后，会授权数据包C使用片上天线向节点(7,7)传输，可以看出本文设计的节点级拥塞避免机制有效缓解了网络中无线信号造成的节点拥塞问题。无线片上网络中路由器的缓冲区读取带宽都是以Flit大小为单位，因此每次竞争无线信道资源成功，只能传输一个Flit，但是片上天线单个时钟周期内可以传输4个Flit。本发明提出无线链路级的拥塞避免机制，设计了并行的先进先出缓冲队列作为无线接口WI中的缓冲区，同一个虚拟通道VC中相邻的三个Flit并行存储在三个独立的先进先出缓冲队列中，片上天线采用流水机制分时传输拥塞信息数据包CIP和从并行的先进先出缓冲队列中读取的三个Flit。通过充分利用无线资源降低网络中无线信道竞争频率，缓解无线链路级的拥塞问题。如图8所示并行的先进先出缓冲队列设计，该缓冲区由三个独立的存储模块B2、B1、B0组成，每个模块都是相同的双端口RAM构成的先进先出缓冲队列FIFO。并行的先进先出缓冲队列的读写操作由读逻辑ReadLogic与写逻辑WriteLogic控制，采用低位交叉编址。并行的先进先出缓冲队列内部三个RAM共享16bit的输入输出位线，通过读逻辑分时启动读操作完成数据读取操作。无线路由器发往无线接口发送端端某个虚拟通道VCi的Flit按先后顺序依次存放到B0、B1、B2中，并行的先进先出缓冲队列控制器检测到B2模块中存有Flit或者VCi中最后一个存储的是尾Flit时，读逻辑便向拥塞节点比较器CNC发出虚拟通道VCi_req信号。本实施例中，一种无线片上网络中无线节点级和无线链路级的拥塞避免机制是按如下步骤进行：步骤1、将任意一个无线路由器记为当前无线路由器，当前无线路由器根据接收数据缓冲区中存放的Flit数目生成本地拥塞状态数据包；步骤2、若当前无线路由器竞争到无线资源时，则执行步骤3、否则，表示当前无线路由器没有竞争到无线资源，则执行步骤4；步骤3、当前无线路由器将所述本地拥塞状态数据包广播至其他无线路由器；当前无线路由器再根据自身所存储的拥塞信息表中目的无线节点地址的拥塞状态，选通发送数据缓冲区中最不拥塞的虚拟通道，用于发送相应的数据包；步骤4、当前无线路由器的接收端接收其他无线路由器的拥塞信息数据包并进行解析，得到其他无线路由器的拥塞信息并存入拥塞信息表中。当前第1页1 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