一种高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构的制作方法

1.本发明涉及一种路由器微体系结构，特别是一种高可靠自适应片上网络路由器的微体系结构，属于集成电路片上互连网络结构设计领域。


背景技术：

2.20世纪90年代以来，多核技术不断发展，被广泛应用在高端服务器、智能手机、物联网、ai等领域，片上互连网络作为多核芯片中的一项关键技术，已经成为一个重要且不断发展的研究领域。随着多核处理器核心数量的不断增加，传统的总线式的互连结构已经不能满足多核处理器的大带宽、高核心利用率的需求，多个计算单元及多个核心之间的高效通信成为提升众核系统性能的关键因素之一。
3.路由器作为片上互连网络中的节点，其微体系结构的设计会对互连网络的吞吐量、延迟、可靠性等性能指标产生影响。目前soc设计以多核为主，8核、16核、32核、64核甚至上百个核心，单一交叉开关式总线设计已经不能满足多个核心对吞吐量、带宽等指标的要求，传输数据量和网络复杂度的增加导致互连网络死锁的可能，应用场景的不同对数据的可靠性传输有很大影响，数据在传输过程中可能受到电磁干扰而发生翻转或者由于其他干扰导致传输错误。
4.在处理器设计中，需要满足应用多元化带来的对互连结构性能、功耗和可靠性的要求。所以有必要在高可靠低延迟互连结构设计方面进行改进，提高数据传输的可靠性、带宽和传输效率。


技术实现要素：

5.本发明的技术解决的问题是：克服现有片上互连网络结构的不足，提出一种高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构。
6.本发明的技术解决方案是：一种高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，所述网络中包括多个具有数据传输层级关系的路由器即节点，单个路由器微体系结构包括数据监测单元、仲裁管理单元；
7.所述数据监测单元接收前一级节点发送的数据包，保证接收到的数据包可靠传输；
8.所述仲裁管理单元通过虚拟通道缓存数据监测单元接收到的数据包，并通过与相邻节点之间互通虚拟通道占用情况，自适应选择最优传输路径，将虚拟通道中的对应数据包按照网络中的层级关系传输至后一级节点。
9.优选的，所述数据监测单元包括数据校验子单元、错误数据管理子单元；
10.所述数据校验子单元包括数据解码与数据校验模块、输入控制器；
11.输入控制器用于和上一级路由器之间进行信号交换，用于对数据链路进行流控制；数据解码与数据校验模块将输入数据包中数据帧部分进行解码校验，由于数据解码与校验过程会带来一定的时间开销，输入数据会同时流向数据解码单元与虚拟通道当中，数
据校验与仲裁同时进行；当校验发生错误时，错误数据管理子单元向上级节点发送数据重传请求，并向仲裁单元发送无效信号，将存入在虚拟通道中的数据无效；上级节点的错误数据管理子单元接收到重传请求之后，向其仲裁管理单元发送数据重传信号；同时当前节点的错误数据管理子单元也需要处理下一级节点发出的重传信号，向仲裁管理单元传递重传信号，并提上重传数据的优先级。
12.优选的，所述仲裁管理单元包括多个虚拟通道、虚拟通道管理单元、交叉开关、交叉开关管理单元、自适应路由计算器；
13.每个虚拟通道暂存网络中对应上一级节点发送的数据包，由与之相连的交叉开关的选通决定通道的输出；
14.虚拟通道管理单元向前一级节点发送当前节点虚拟通道占用情况，接收并存储后一级节点虚拟通道占用信息，实现相邻节点间虚拟通道占用情况互通；
15.自适应路由计算器根据虚拟通道管理单元接收的虚拟通道占用情况进行实时自适应路径计算，合理分配传输中网络各路径带宽；
16.交叉开关管理单元通过自适应路由计算器计算的自适应路径计算结果与后一级虚拟通道占用信息，对交叉开关进行仲裁选通。
17.优选的，所述自适应路径计算包括：
18.初始路由器节点将一次数据传输的初始地址坐标与目的地址坐标打包到数据的帧头，中间节点根据数据帧头中的地址信息判断需要传输的两个方向，最后根据虚拟通道管理单元中存储的两方向虚拟通道占用情况数值从传输最短路径中选取传输方向。
19.优选的，从传输最短路径中选取传输方向为最短路径中选取拥塞程度最低的路径，所述拥塞程度最低为最短路径中所有节点虚拟通道占用最少。
20.优选的，所述实现相邻节点间虚拟通道占用情况互通包括：
21.当前节点发送出一组数据给后一级节点，并在当前节点虚拟通道管理单元中将相应通道空余数量减1，此时本组数据存储在下一级节点的虚拟通道中，当下一级节点将本组数据发出后，向当前节点发送反馈信号，将当前虚拟通道管理单元中相应通道的空余数量加回。
22.优选的，仲裁管理单元中最后一个或多个虚拟通道设置作为防死锁的应急通道，当出现死锁时打开应急通道进行数据传输。
23.优选的，当一个节点虚拟通道中数据为满，计时器开始计时，若预设时间内没有进行数据传输，则判定互连网络中出现了环路死锁，且该节点处于死锁环路之中，此时将虚拟通道管理单元内部防死锁标志位拉高，向周围节点传输，当两相邻节点同时拉高防死锁标志位时,则判定两节点间的数据链路处于死锁环路之中，将死锁环路中各节点间数据链路的应急虚拟通道打开，并且拉高死锁环路内部节点数据传输的优先级。
24.本发明与现有技术相比的有益效果是：
25.(1)本发明提出了一种高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，其特征在于：数据监测单元用来保证数据传输的高可靠；仲裁管理单元用来提升数据传输效率，提升互连网络利用率与吞吐量，减少互连网络传输中的拥塞，避免死锁。
26.(2)本发明提出了一种错误及时检测处理方法，通过在路由器微体系结构中增加校验检错机制，增加少量校验位，对数据进行错误校验，若发现错误则立即向前一级传输反
馈并请求重传，保证了数据传输错误及时处理，避免了错误传递。
27.(3)本发明提出了一种自适应路径计算方法，在某一节点的计算单元需要进行数据传输时，路由器节点将传输的初始地址与目的地址打包到一帧数据的帧头，并不规定数据传输的路径，在数据传输的过程中，路由器根据虚拟通道管理单元中存储的下一节点虚拟通道占用情况数值从传输最短路径中选取传输方向。这种路径计算方法有效的解决传输中网络各路径带宽分配不合理的问题，防止拥塞，提升了数据传输效率。
28.(4)本发明提出了一种虚拟通道拥塞信息传递方法，虚拟通道管理单元接收并存储后级节点虚拟通道占用信息，为仲裁管理单元提供虚拟通道占用情况，并向前级节点发送当前节点虚拟通道占用情况，实现相邻节点间虚拟通道占用情况互通。
29.(5)本发明提出了一种虚拟通道防死锁方法，将最后一个或多个虚拟通道作为防死锁的应急通道，当虚拟通道中数据为满且一段时间内没有数据输出时，判定此时出现互连网络环路死锁，路由器将内部死锁标志拉高，并向周围节点传输，此时路由器打开备用虚拟通道进行数据传输，并优先为死锁环路内部节点提供数据传输支持，以此解决死锁问题。
附图说明
30.图1是本发明高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构框图；
31.图2是本发明数据监测单元结构示意图；
32.图3是本发明自适应路由计算单元结构示意图；
33.图4是本发明虚拟通道管理方法示意图；
34.图5是本发明虚拟通道防死锁示意图；
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明作进一步描述。
36.如图1所示为本发明高可靠自适应片上网络路由器的微体系结构，主要由数据监测单元和仲裁管理单元两部分组成。
37.数据监测单元主要包括数据校验单元、数据错误处理单元，保证了数据的高可靠性；仲裁管理单元包括虚拟通道管理单元、交叉开关管理单元和自适应路径计算器三部分，提升了互连网络利用效率与吞吐量，避免传输通道拥塞和死锁；所述数据监测单元包括数据校验子单元、错误数据管理子单元；
38.本发明给出一优选实施例中，通过数据连路层和协议层两个方面来进行可靠性性纠检错设计，在数据链路层中采用crc校验码、以及奇偶校验的方式对数据进行校验，协议层则采用一次编码的点到点检错重传的方式对网络容错机制进行加强，在数据校验子单元中仅对数据包进行解码校验，如果校验结果正确则数据包传入下一级路由中，若校验结果不正确，则错误数据管理子单元向前一级节点传输重传请求并将当前存入数据包无效。。
39.本发明给出一优选实施例中，仲裁管理单元包括多个虚拟通道、虚拟通道管理单元、交叉开关、交叉开关管理单元、自适应路由计算器；
40.每个虚拟通道暂存网络中对应上一级节点发送的数据包，由与之相连的交叉开关的选通决定通道的输出；
41.虚拟通道管理单元向前一级节点发送当前节点虚拟通道占用情况，接收并存储后
一级节点虚拟通道占用信息，实现相邻节点间虚拟通道占用情况互通；
42.自适应路由计算器根据虚拟通道管理单元接收的虚拟通道占用情况进行实时自适应路径计算，合理分配传输中网络各路径带宽；
43.交叉开关管理单元通过自适应路由计算器计算的自适应路径计算结果与后一级虚拟通道占用信息，对交叉开关进行仲裁选通。
44.如图2所示为本发明数据监测单元结构示意图，由数据解码、数据校验、输入控制、错误数据管理模块组成。其中输入控制器主要用于和上一级路由器之间进行信号交换，用于对数据链路进行流控制。数据解码与数据校验单元将传输数据包中数据帧部分进行解码校验，而错误数据管理单元用于对数据重传进行控制。由于数据解码与校验过程会带来一定的时间开销，输入数据会同时流向数据解码单元与虚拟通道当中，也就是数据校验与仲裁同时进行。当校验发生错误时，错误数据管理单元向上级节点发送数据重传请求，并向仲裁单元发送无效信号，将存入在虚拟通道中的数据无效。上级节点的错误数据管理单元接收到重传请求之后，向其仲裁单元发送数据重传信号。同时错误数据管理单元也需要处理下一级节点发出的重传信号，向仲裁模块传递重传信号，并提上重传数据的优先级。
45.如图3所示为本发明自适应路由计算单元(即图1中是自适应路由计算器)结构示意图，本发明采用局部自适应路径计算方法，初始路由器节点将一次数据传输的初始地址坐标与目的地址坐标打包到数据的帧头，由于数据解码会消耗大量的时间与硬件资源，因此中间节点仅对传输数据帧头进行解码，解码单元根据数据帧头中的地址信息判断需要传输的最短路径方向后选通mux，最后在比较器中根据虚拟通道管理单元中存储的虚拟通道占用情况选取传输方向。这种局部自适应路由计算方法既避免了全局自适应路由的复杂算法逻辑所带来过多的资源与功耗的开销，也有效的解决传输中网络各路径带宽分配不合理的问题，防止拥塞，提升了数据传输效率。
46.如图4所示为虚拟通道管理方法示意图，图中虚拟通道管理单元存储了下一节点中虚拟通道空余数量，虚拟通道管理单元与交叉开关管理单元相连，用于检测本节点数据输出情况，并向前级节点发送当前节点虚拟通道占用情况，实现相邻节点间虚拟通道占用情况互通，具体步骤是，当前路由节点发送出一组数据给下级路由节点，并在虚拟通道管理单元中将相应通道空余数量减1，此时本组数据存储在下一级节点的虚拟通道中，当下一级节点将本组数据发送完毕后，向当前节点发送反馈信号，将虚拟通道管理单元中相应通道的空余数量加回。
47.如图5所示为本发明防死锁方法示意图，本发明采用逃生虚拟通道流控制的方式解决环路死锁问题。a、b、c、d四个节点互相之间同时有数据传输需求，且每个传输需求的虚拟通道全部被占满，此时a等待b节点将数据输出之后留出虚拟通道，b等待c节点，c等待d节点，而d节点则在等待a节点，这就造成了片上互连网络的环路死锁问题，在本发明中每个路由节点的每条链路通道都预留了一个或多个逃生虚拟通道防止死锁发生，当一个路由节点虚拟通道中数据为满，计时器开始计时，若一段时间内没有进行数据传输，则判定互连网络中出现了环路死锁，且该节点处于死锁环路之中，此时路由器会将虚拟通道管理单元内部防死锁标志位拉高并向周围节点传输，当两相邻节点同时拉高防死锁标志位时,则判定两节点间的数据链路处于死锁环路之中。例如图中a节点虚拟通道被占满且预设时间内没有数据输出，则a节点将其死锁标志位拉高并向四周的节点发送防死锁信号，若b节点刚好也
处于死锁状态，那么b节点的防死锁信号也正在向四周广播，此时a节点接收到b节点的死锁信号，b节点同时也能接收到a节点的死锁信号，则判定ab节点间的数据通信链路处于死锁环路当中，同理图中bc、cd、da节点链路也处于死锁环路中。此时将死锁环路中各节点间数据链路的应急虚拟通道vcn打开进行数据传输，并且提高死锁环路内部节点数据传输的优先级，待死锁解除之后拉低防死锁信号释放数据链路，以此解决环路死锁问题。
48.本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

技术特征：
1.一种高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，所述网络中包括多个具有数据传输层级关系的路由器即节点，其特征在于：单个路由器微体系结构包括数据监测单元、仲裁管理单元；所述数据监测单元接收前一级节点发送的数据包，保证接收到的数据包可靠传输；所述仲裁管理单元通过虚拟通道缓存数据监测单元接收到的数据包，并通过与相邻节点之间互通虚拟通道占用情况，自适应选择最优传输路径，将虚拟通道中的对应数据包按照网络中的层级关系传输至后一级节点。2.如权利要求1所述的高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，其特征在于，所述数据监测单元包括数据校验子单元、错误数据管理子单元；所述数据校验子单元包括数据解码与数据校验模块、输入控制器；输入控制器用于和上一级路由器之间进行信号交换，用于对数据链路进行流控制；数据解码与数据校验模块将输入数据包中数据帧部分进行解码校验，由于数据解码与校验过程会带来一定的时间开销，输入数据会同时流向数据解码单元与虚拟通道当中，数据校验与仲裁同时进行；当校验发生错误时，错误数据管理子单元向上级节点发送数据重传请求，并向仲裁单元发送无效信号，将存入在虚拟通道中的数据无效；上级节点的错误数据管理子单元接收到重传请求之后，向其仲裁管理单元发送数据重传信号；同时当前节点的错误数据管理子单元也需要处理下一级节点发出的重传信号，向仲裁管理单元传递重传信号，并提上重传数据的优先级。3.如权利要求2所述的高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，其特征在于，所述仲裁管理单元包括多个虚拟通道、虚拟通道管理单元、交叉开关、交叉开关管理单元、自适应路由计算器；每个虚拟通道暂存网络中对应上一级节点发送的数据包，由与之相连的交叉开关的选通决定通道的输出；虚拟通道管理单元向前一级节点发送当前节点虚拟通道占用情况，接收并存储后一级节点虚拟通道占用信息，实现相邻节点间虚拟通道占用情况互通；自适应路由计算器根据虚拟通道管理单元接收的虚拟通道占用情况进行实时自适应路径计算，合理分配传输中网络各路径带宽；交叉开关管理单元通过自适应路由计算器计算的自适应路径计算结果与后一级虚拟通道占用信息，对交叉开关进行仲裁选通。4.如权利要求3所述的高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，其特征在于，所述自适应路径计算包括：初始路由器节点将一次数据传输的初始地址坐标与目的地址坐标打包到数据的帧头，中间节点根据数据帧头中的地址信息判断需要传输的两个方向，最后根据虚拟通道管理单元中存储的两方向虚拟通道占用情况数值从传输最短路径中选取传输方向。5.如权利要求4所述的高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，其特征在于，从传输最短路径中选取传输方向为最短路径中选取拥塞程度最低的路径，所述拥塞程度最低为最短路径中所有节点虚拟通道占用最少。6.如权利要求3所述的高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，其特征在于，所述实现相邻节点间虚拟通道占用情况互通包括：
当前节点发送出一组数据给后一级节点，并在当前节点虚拟通道管理单元中将相应通道空余数量减1，此时本组数据存储在下一级节点的虚拟通道中，当下一级节点将本组数据发出后，向当前节点发送反馈信号，将当前虚拟通道管理单元中相应通道的空余数量加回。7.如权利要求3所述的高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，其特征在于，仲裁管理单元中最后一个或多个虚拟通道设置作为防死锁的应急通道，当出现死锁时打开应急通道进行数据传输。8.如权利要求7所述的高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，其特征在于，当一个节点虚拟通道中数据为满，计时器开始计时，若预设时间内没有进行数据传输，则判定互连网络中出现了环路死锁，且该节点处于死锁环路之中，此时将虚拟通道管理单元内部防死锁标志位拉高，向周围节点传输，当两相邻节点同时拉高防死锁标志位时,则判定两节点间的数据链路处于死锁环路之中，将死锁环路中各节点间数据链路的应急虚拟通道打开，并且拉高死锁环路内部节点数据传输的优先级。

技术总结
本发明涉及一种高可靠自适应片上网络的路由器微体系结构，包括数据监测单元和仲裁管理单元。其中数据监测单元包括数据校验单元、错误数据处理单元来保证数据传输的高可靠性；仲裁管理单元包括虚拟通道管理单元、交叉开关管理单元和自适应路径计算器，虚拟通道管理单元记录了路由器中虚拟通道占用状态，交叉开关管理单元将交叉开关端口分配给虚拟通道，提升互连网络利用效率与吞吐量，并且可避免死锁，自适应路径计算器采用链路状态路由算法在最短路径中挑选出解决传输中网络各路径带宽分配不合理的问题，防止拥塞，提升数据传输效率。提升数据传输效率。提升数据传输效率。


技术研发人员：薛翔宇 侯国伟 张梅梅 张钦增 王益男 禹莹 倪玮琳 王兴凤 段海霞 杨雪
受保护的技术使用者：北京微电子技术研究所
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/7