片上网络交换机制的研究
1.引言
集成电路技术在过去的几十年中得到了飞速的发展,在单一芯片上可集成的晶体管数目遵循着摩尔定律不断增加,片上通信机制也经历了从点对点到总线结构的转变。但是在实际的操作中,总线结构也暴露出了相当多的技术问题,比如,可扩展性差、定时困难、可重用性不佳等,并且也不具备并行通信能力。随着片上器件数目的进一步增加,为了使各部件之间更好的通信,总线结构已经不能胜任,芯片设计者需要寻求一种新的结构来解决片上器件互连的问题。于是,人们纷纷将目光聚焦于运用网络技术来解决芯片中器件互连的问题上,从而使片上网络成为了学术界新的研究热点。
对开销和能耗上的严格限制是片上网络与并行计算机、互联网络及计算机网络的最大不同。总的说来,片上网络具有芯片面积受限、低时延、高吞吐和低能耗等技术要求。交换机制是影响这些参数的一个重要因素,笼统的说,它定义了消息在片上网络中传递的方式,并规定了沿输出端口将消息转发出去的时机,其中也包含了对所传输消息格式的规定。路由算法的制定和路由器结构的设计,以及死锁、活锁、饿死等问题都在很大程度上依赖于所选用的交换机制。所以,对片上网络交换机制的分析和研究相当重要。
片上网络节点的一般结构如图1所示,资源通过网络接口(RNI)连接到本地路由器上,再由路由器连入网络。网络分界线在网络接口与本地路由器之间,网络部分采用统一的时钟,而资源可以根据功能的不同而采用任意的时钟,网络接口实现两种时钟的协调工作。资源一般通过网络接口以分组的形式将消息注入给网络,在网络中数据的传递形式则由所选用的交换机制而定。
片上网络中运用的交换机制主要可以分为两类:面向连接的和无连接的。面向连接的交换机制主要有电路交换,无连接的机制主要有分组交换、虚切通和虫孔交换。本文将分别对这几种交换机制的工作原理进行描述,并对各种交换机制在片上网络中的优缺点进行分析与比较。
2.现有片上网络交换机制
2.1 电路交换
电路交换最早产生于公共交换电话网(PSTN),是一种面向连接的交换机制。在开始通信之前,一般要通过一个信息头按照一定的路由规则选路,然后建立路径,同时预定所经过路径的信道资源。收端在成功收到这个信息头后将沿原路返回一个应答,发端收到这个应答后便开始传输数据。数据部分在网络中传输时将独占此路径中各段链路的整个带宽,并且不需要再做路由选择。当通信结束后,发端向收端发出终止通信的要求,并沿路拆链,释放对各段链路的使用权。这就是电路交换的主要工作过程,如图2所示,白色区域代表数据。
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