基于无缓冲区路由器架构的片上网络拓扑结构的构建方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于无缓冲区路由器架构的片上网络拓扑结构的构建方法，在现有的集中式网状拓扑结构的基础上，将每个路由器与其沿横向和纵向相邻的路由器通过双向数据通道连接在一起；将每行及每列的所有路由器通过双向总线连接在一起，构成冗余的集中式网状-总线结构。对于单个行或列上的多个路由器来说，既可以通过网状线一步一步地传输数据，也可以通过总线直接到达目的地。使数据包在传输过程中因路径选择发生冲突的情况下，其中一个数据包可以选择总线传输，另外一个可以选择网状线传输，二者均未偏离最优线路，降低了数据包偏转到其它的行或列的概率，减少了对其它数据包传输的影响，从而降低了整个片上网络的平均延迟及能耗。
【专利说明】基于无缓冲区路由器架构的片上网络拓扑结构的构建方法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机体系结构领域，具体涉及一种基于无缓冲区路由器架构的片上网络拓扑结构的构建方法。
【背景技术】
[0002]随着单芯片多处理器架构集成了越来越多的核心，为了使片上的各个部件得以协同工作，部件间的通信质量就变得至关重要。片上网络作为芯片上部件通信的媒介，其低延迟、低能耗、高可扩展性等方面是片上网络研究的核心之处。
[0003]数据包在拓扑结构中通信所通过的路由器数量及路径长度直接影响片上网络的平均延迟及整体能耗。通过的路由器数量越多、路径长度越大，延迟就愈高、能耗也愈高；反之亦然。
[0004]无缓冲区路由器架构消除了原有的片上网络路由器中的缓冲区(Buffer)，降低了可观的总体能耗。然而，由于将路由器中的Buffer消除，微片无法暂存于路由器中，因此进入路由器的微片必须马上转发到其它的路由器或核心。如若遇到多个微片竞争同一条通道的情况，优先级高的微片被允许进入通道，而其它的微片将偏转到其它的通道，就可能偏离了最优的线路。这种偏离势必增加了平均延迟与整体能耗，而且偏转到其它路由器的微片有可能与其它的微片再次产生竞争，进入到一个恶性循环之中。
[0005]以往对于无缓冲区路由器的研究仅将其用于现有的拓扑结构中，并未考虑到拓扑结构是否适用于无缓冲区路由器架构。
【发明内容】
[0006]为了克服现有的拓扑结构在使用无缓冲区路由器架构时平均延迟及能耗过高的不足，本发明在集中式网状结构(Concentration Mesh,简称CMesh)的基础上,提出了一种基于无缓冲区路由器架构的集中式网状与总线相结合的网络拓扑结构(CMesh-Bus)的构建方法。
[0007]为实现上述目的，本发明采取如下技术方案:在现有的集中式网状拓扑结构的基础上，在每行及每列上引入总线，将该行及该列上的所有路由器连接在一起，构成了冗余的集中式网状-总线结构，减少了微片因为冲突发生偏转时偏离最优线路的概率。
[0008]具体的构建方法如下:
[0009]步骤1，将每个路由器与4个本地核心相连。
[0010]步骤2，将路由器布置为最接近正方形的矩形阵。
[0011]步骤3，将每个路由器与其沿横向和纵向相邻的路由器通过数据通道连接在一起，每两个路由器之间设置双向线路。形成集中式的网状结构。
[0012]步骤4，将每行和每列上的所有路由器通过两条双向总线连接在一起，形成集中式网状-总线结构。
[0013]所述集中式网状-总线结构，既可使数据通过步骤3构建的网状线逐步进行传输，也可使数据通过步骤4构建的双向总线直接到达目的地，可大大降低数据包偏转到其它的行或列的概率，减少对其它数据包传输的影响，降低整个片上网络的平均延迟及能耗。
[0014]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0015]1.对于每两个沿横向或纵向相邻的路由器，均通过4条路径互相连接，使这两个路由器在通信的过程中总有备份线路存在。数据传输路径有了更多的选择，降低了冲突的可能性。
[0016]2.对于单个行或列上的多个路由器来说，既可以通过网状线一步一步地传输数据，也可以通过总线直接到达目的地。使数据包在传输过程中因路径选择发生冲突的情况下，其中一个数据包可以选择总线传输，另外一个可以选择网状线传输，二者均未偏离最优线路，降低了数据包偏转到其它的行或列的概率，减少了对其它数据包传输的影响，从而降低了整个片上网络的平均延迟及能耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为集中式网状拓扑结构示意图；
[0018]图2为本发明实施例构建的集中式网状-总线拓扑结构示意图；
[0019]图3为本发明实施例数据包第I个传输周期的示意图；
[0020]图4为本发明实施例数据包第2个传输周期的示意图；
[0021]图5为本发明实施例数据包第3个传输周期的示意图；
[0022]图6为本发明实施例数据包第4个传输周期的示意图；
[0023]图7为本发明实施例数据包第5个传输周期的示意图；
[0024]图8为本发明实施例数据包第6个传输周期的示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0026]目前广泛使用的集中式网状拓扑结构如图1所示。本发明是在现有的集中式网状拓扑结构的基础上，在每行及每列上引入总线，将该行及该列上的所有路由器连接在一起，构成冗余的集中式网状-总线结构。其构建方法包括以下步骤:
[0027]步骤1，将每个路由器与4个本地核心相连。
[0028]图1中，每个小正方形代表一个核心,大正方形代表路由器,将核心每4个一组与一个本地路由器相连。
[0029]步骤2，将路由器布置为最接近正方形的矩形阵。
[0030]图1中共64个核心，16个路由器，恰好布置为正方形。
[0031]步骤3，将每个路由器与其沿横向和纵向相邻的路由器通过数据通道连接在一起，每两个路由器之间设置双向线路。形成集中式的网状结构。
[0032]图2是本发明实施例构建的集中式网状-总线拓扑结构示意图，图中较细的黑色箭头为每两个路由器之间设置的双向线路。
[0033]步骤4，将每行和每列上的所有路由器通过两条双向总线连接在一起，形成集中式网状-总线结构。
[0034]图2中较粗的黑色箭头是连接每行和每列上的路由器的双向总线。[0035]下面结合图3?8，给出在本发明实施例构建的集中式网状-总线拓扑结构上传输数据包的应用实例。
[0036]假设源端核心SI和S2分别沿着虚线路径向目标端核心Dl和D2发送数据包。在片上网络中，由于数据包大小的不统一，以及线路带宽的限制，数据包被分割为若干个统一制式的微片进行传输，假定一个数据包由三个微片组成(三个点状微片及斜线微片)。具体传输过程如下:
[0037](I)第一个传播周期:如图3所示，从SI核心开始向Dl核心发送点状数据包。点状微片由核心进入本地路由器。
[0038](2)第二个传播周期:如图4所示，由于总线未被占用，因此位于SI处本地路由器的点状微片可以沿着总线跳跃一个路由器向上前进。由S2核心发送数据包的时间比由SI的晚一个传播周期。此时，S2核心开始发送斜线数据包。斜线微片进入本地路由器。
[0039](3)第三个传播周期:如图5所示，S2下方路由器处的点状微片沿着总线跳跃一个路由器向右前进。位于S2处本地路由器的斜线微片沿网状线路向下前进。同时，SI与S2核心的微片分别进入各自的本地路由器。
[0040](4)第四个传播周期:如图6所示，点状微片和斜线微片均欲沿着总线向右前进，发生了竞争。若采用时间戳及总线利用率的方式判定优先级，在网络中存活时间更长的微片优先级更高，可沿总线前进长度更大的优先级更高。点状微片与斜线微片存活时间相同；点状微片可沿总线前进三步，比斜线微片的两步更长，因此点状微片优先级更高，可以选择总线直接到达目的地(粗实线箭头)；而斜线总线也可以沿着网状线路向右前进(粗虚线箭头)，虽然步伐变小，但仍可以继续沿着最优路线传播，并未影响其它维度上微片的通信。若在相同的条件下采用集中式网状拓扑结构(CMesh)的话，则其中一个微片只能向上或是向下偏转，影响了其它维度上微片的运输。
[0041](5)第五个传播周期:如图7所示，情况与第四个传播周期相似，点状微片沿总线向右前进，而斜线微片沿网状线向右前进。
[0042](6)第六个传播周期:如图8所示，点状数据包基本已到达目的地，而斜线数据包也不会再发生冲突的情况，两个斜线微片可以分别沿着总线和网状线(粗实线箭头和粗虚线箭头)同时到达目标路由器。
[0043]表I给出了相同条件下在CMesh和CMesh-Bus拓扑结构上传输数据包时的性能比较。
[0044]表ICMesh结构与CMesh-Bus结构的性能比较
[0045]
【权利要求】
1.基于无缓冲区路由器架构的片上网络拓扑结构的构建方法，其特征在于，在现有的集中式网状拓扑结构的基础上，将每行及每列的所有路由器通过双向总线连接在一起，构成冗余的集中式网状-总线结构，所述构建方法包括以下步骤: 步骤1，将每个路由器与4个本地核心相连； 步骤2，将路由器布置为最接近正方形的矩形阵； 步骤3，将每个路由器与其沿横向和纵向相邻的路由器通过数据通道连接在一起，每两个路由器之间设置双向线路；形成集中式的网状结构； 步骤4，将每行和每列上的所有路由器通过两条双向总线连接在一起，形成集中式网状-总线结构。
2.根据权利要求1所述的基于无缓冲区路由器架构的片上网络拓扑结构的构建方法，其特征在于，所述集中式网状-总线结构，既可使数据通过所述步骤3构建的网状线逐步进行传输，也可使数据通过所述步骤4构建的双向总线直接到达目的地，可大大降低数据包偏转到其它的行或列的概率，减少对其它数据包传输的影响，降低整个片上网络的平均延迟及能耗。
【文档编号】H04L12/28GK103746913SQ201410014217
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】方娟, 冷镇宇, 于璐 申请人:北京工业大学