基于虫孔直通交换片上网络的共享优先级机制

发布时间：2020-03-02 18:51

【摘要】：基于传统虫孔直通交换(Conventional Wormhole Cut-Through Switching,Con-WCTS)的片上网络系统(Network-on-Chip,NoC)无法直接实现基于优先级的仲裁逻辑,不适用于对信息传输实时性要求较高的多核片上系统。引入虚拟通道技术,提出了共享优先级虫孔直通交换(Shared Priority Wormhole Cut-Through Switching,SP-WCTS)的网络结构,并给出了该网络信息最坏传输时间的计算方法。通过实验对比了Con-WCT网络、共享优先级虫孔交换(Shared Priority Wormhole Switching,SP-WS)网络、SP-WCTS网络以及轮询虫孔交换(Round Robin Wormhole Switching,RR-WS)网络的可调度性,并探究了虚拟通道数量和总网络利用率对网络可调度性的影响。实验结果表明:SP-WCTS的可调度性要明显优于另外3种网络;虚拟通道数量和总网络利用率对SP-WS网络可调度性的影响大于共享优先级SP-WCTS网络。
【图文】：

ｏｌｅＣｕｔ－ＴｈｒｏｕｇｈＳｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＳＰ－ＷＣＴＳ）机制，消除了共享优先级仲裁机制中存在的优先级反转问题，并给出了信息最坏传输时间（Ｗｏｒｓｔ－ＣａｓｅＴｒａｖｅｒｓｉｎｇＴｉｍｅ，ＷＣＴＴ）的计算方法。另外，本文对比了不同网络参数对传统虫孔交换网络和ＳＰ－ＷＣＴＳ实时性分析的影响，对设计者在不同的应用场景中选择合适的片上网络交换机制有一定的参考意义。１基于优先级共享的虫孔直通交换１．１虫孔直通交换虫孔直通交换融合了虫孔交换和直通交换技术。如图１所示，路由为各微片设置一个本地ＩＤ，来自同一个报文的微片，其本地ＩＤ相同。传输过程中，各输出端口对发出传输请求的输入端口轮流接通，从而使得来自不同输入端口的微片交错地从同一个输出端口输出。为保证来自不同报文的微片正确地选择其路径，虫孔直通交换路由设置有一个路径保留表，存储了每个本地ＩＤ及其对应的输出端口。每个报文的本地ＩＤ在头微片传入路由时分配，尾微片传出时回收。图１虫孔直通交换Ｆｉｇ．１Ｗｏｒｍｈｏｌｅｃｕｔ－ｔｈｒｏｕｇｈｓｗｉｔｃｈｉｎｇ传统虫孔直通交换中，来自不同输入端口的报文在同一输出端口公平地输出，，不适用于实时性要求较高的场合。为了保证实时报文在截止期限之前到达目的节点，需要采用基于优先级的仲裁机制，而在虫孔直通交换机制下直接使用优先级仲裁可能会导致优先级反转。假设图１中的业务优先级顺序为Ａ＞Ｃ＞Ｂ，若Ａ恰好在Ｂ的某个微片后传入，则Ｃ会抢占Ｂ，从而阻塞Ａ，造成优先级反转，高优先级业务Ａ被阻塞的时间难以预测。１．２共享优先级虫孔直通交换为了解决优先级反转

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华东理工大学学报（自然科学版）第４３卷主要用来避免死锁（Ｄｅａｄｌｏｃｋ），提高带宽使用率［４］。ＳＰ－ＷＣＴＳ网络的传输机制如图２所示。每个输入端口的缓存被划分为几个独立的小片，每一个小片都可以作为一个虚拟通道。ＳＰ－ＷＣＴＳ网络为每一个优先级分配一个虚拟通道，各虚拟通道有独立的先进先出队列，优先级为ｉ的业务只能使用优先级为ｉ的虚拟通道。不同优先级业务间的抢占发生在微片级，即高优先级业务可以在低优先级业务传输完一个微片后抢占输出端口。当一个网络连接上的高优先级业务被阻塞时，低优先级的业务可以使用该连接进行传输。图２共享优先级虫孔直通交换网络仲裁机制Ｆｉｇ．２Ａｒｂｉｔｒａｔｉｏｎｏｆｓｈａｒｅｄｐｒｉｏｒｉｔｙｗｏｒｍｈｏｌｅｃｕｔ－ｔｈｒｏｕｇｈｓｗｉｔｃｈｉｎｇＮｏＣ虚拟通道的引入会增加路由缓存的消耗，为了兼顾实时性能和资源消耗，ＳＰ－ＷＣＴＳ允许多个传输任务共享同一个优先级，以减少虚拟通道的数目。同优先级的报文在微片级相互交错传输，避免了同优先级传输任务之间的长时间阻塞。网络中，优先级标号越大表示优先级别越低，优先级１为最高优先级。τ１与τ２共享优先级１，该输入端缓存中微片被读取的顺序如图２中Ｏｕｔｐｕｔ所示。每个输出端在发出请求的输入端选择最高优先级的虚拟通道进行传输。２网络最坏延时分析２．１实时通信模型设一个虫孔直通交换网络Γ中存在ｎ个业务：Γ＝τ１，τ２，…，τ｛｝ｎ（１）其中τｉ代表业务ｉ，并假设所有的业务都是周期性地发送报文。每个业务可以用如下５个属性来表示：τ

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