本發(fā)明屬于集成電路設計技術領域，具體為一種基于Mesh拓撲結構的片上網(wǎng)絡通信方法（策略）。

背景技術：

自從片上網(wǎng)絡（NoC）的概念被提出以來，人們對網(wǎng)絡結構的研究持續(xù)推進，已經(jīng)有各種各樣的網(wǎng)絡結構被紛紛提出，總體來說，片上網(wǎng)絡的拓撲結構主要分為三類，分別是樹狀、星狀和網(wǎng)格狀。

樹狀網(wǎng)絡基本結構如圖1（a）所示，圖中顯示的網(wǎng)絡包含16個計算節(jié)點和8個路由器，其中路由器分為父層和子層兩部分，而計算節(jié)點作為葉節(jié)點連接在子層路由器上，這種結構最大的優(yōu)點是硬件實現(xiàn)起來最為簡單，成本很低，但是缺點也十分明顯，對于父層和子層的路由器來說，其路由算法是不同的，不利于網(wǎng)絡的可擴展性和可重用性，增加了設計的難度。

星狀網(wǎng)絡基本結構如圖1（b）所示，這種結構的每個路由器都對應一個計算節(jié)點，其相鄰兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)通信只需要一跳即可傳輸完成，而且位于中心的節(jié)點非常便于進行數(shù)據(jù)的廣播，所以具有最好的通信效率，但這種結構只適用于節(jié)點個數(shù)較少的情況，當節(jié)點個數(shù)大于9個時，星狀網(wǎng)絡的面積利用率將非常低下，不利于硬件實現(xiàn)。

二維網(wǎng)格（Mesh）網(wǎng)絡的基本結構如圖1（c）所示，是目前主流的片上網(wǎng)絡架構。它的每個路由器對應一個計算節(jié)點，而每個路由器與其東西南北四個方向上的路由器相連，構成個網(wǎng)格狀結構，每兩個路由器之間的通信鏈路可以有多條，實際通信中可以通過高效的路由算法找到當前最為空閑的數(shù)據(jù)通路進行通信，從而提高了通信效率，同時這種結構的可擴展性高，可以方便地構造M×N個節(jié)點的網(wǎng)絡，而且網(wǎng)絡形狀非常規(guī)則，有利于硬件版圖的實現(xiàn)。本發(fā)明即是在二維網(wǎng)格的基礎上，采用包交換的通信方式，實現(xiàn)二位片上網(wǎng)絡的通信策略。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對并行GPDT算法而設計一種基于Mesh結構的片上網(wǎng)絡通信方法（策略）。

并行GPDT算法中，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一個矩陣的若干片段，可以稱之為數(shù)據(jù)塊。這些數(shù)據(jù)塊需要按某種順序進行拼接或者進行累加才組成總的矩陣。片上網(wǎng)絡結構中將處理器分為主核和子核兩種類型，其中，主核負責計算本核分配到的那部分數(shù)據(jù)，還負責接收其他子核的計算結果，并對結果進行拼接或累加從而得到總矩陣。總矩陣首先需要通過“廣播”的方式同步到其他子核當中，再進行接下來的運算。

本發(fā)明提出的基于Mesh拓撲結構的片上網(wǎng)絡通信方法，包括：由主核向各個子核通信的廣播方法，由各個子核向主核通信的點對點方法；片上網(wǎng)絡通信采用包交換的數(shù)據(jù)傳輸方式；其中：

一、由主核向各個子核通信的廣播方法，對于一個N×N的2D Mesh網(wǎng)絡，以中心的一個核稱為主核，以其周圍的核稱為子核，該主核按照一定的路由算法分別向各個子核由近及遠傳播數(shù)據(jù)；該路由算法為：①以主核為原點，其數(shù)據(jù)向其左上方和右下方傳播時，先沿x方向再沿y方向，最終到達目標核（子核）；②以主核為原點，向其右上方和左下方傳播時，先沿y方向再沿x方向，最終到達目標核（子核）；

二、由各個子核向主核通信的點對點方法，對于一個N×N的2D Mesh網(wǎng)絡，以中心的一個核稱為主核，以其周圍的核稱為子核，由各個子核按照一定的路由算法分別向與其相鄰的子核傳播數(shù)據(jù)并最終匯總到主核；該路由算法為：①以主核為原點，其左上方和右下方的子核數(shù)據(jù)向主核傳播時，先沿x方向再沿y方向，最終到達目標核（主核）；②以主核為原點，其右上方和左下方的子核數(shù)據(jù)向主核傳播時，先沿y方向再沿x方向，最終到達目標核（主核）；

三、包交換的數(shù)據(jù)傳輸方式，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一系列32bit的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的結構設計為：head表示包頭，recv[i]表示發(fā)送的數(shù)據(jù)中每個數(shù)據(jù)塊的長度，disp[i]表示每個數(shù)據(jù)塊在原矩陣中的起始位置，data[i]表示數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容。

包頭位于數(shù)據(jù)包的起始位置，包頭指定數(shù)據(jù)包的各種基本信息。分為若干不同的區(qū)段，包括length、numSlice、destY、destX、multicast、reserved；其中，length表示數(shù)據(jù)包的長度（不包含包頭），numSlice表示數(shù)據(jù)塊的個數(shù)，destX和destY分別是目標節(jié)點的橫坐標和縱坐標（以主核為原點），multcast表示是否廣播，值為1表示廣播，值為0表示點對點傳輸，reserved是保留位。

例如，31位~18位是length位，17位~12位是numSlice位，11位~9位和8位~6位分別是destY和destX位；5位是multicast位，4位~0位是保留位，尚未使用。

廣播過程是實現(xiàn)并行GPDT算法中通信開銷最大的通信任務，為了減少廣播通信延時，本發(fā)明將主核放置在Mesh網(wǎng)絡的中心位置，使其到達其他子核的平均距離最短；同時本發(fā)明還設計了相對平衡的廣播通信機制，如圖2（a）所示，以25核為例的廣播通信鏈路。以主核為原點，主核向其左上方和右下方廣播數(shù)據(jù)時，先沿x方向到達與目標核x坐標相同的位置，再沿y方向最終到達目標核。主核向其右上方和左下方廣播數(shù)據(jù)時，先沿y方向到達與目標核y坐標相同的位置，再沿x方向最終到達目標核。

點對點傳輸所占用的通信鏈路，如圖2（b）所示，每個子核只向其相鄰的子核或主核發(fā)送數(shù)據(jù)，通過與廣播鏈路相反的方向?qū)?shù)據(jù)一次傳輸?shù)街骱恕Ｄ承┳雍诉€承擔了部分數(shù)據(jù)匯總的任務，不僅可以減輕主核的工作負擔，還進一步減少了通信數(shù)據(jù)量，降低了通信阻塞概率的發(fā)生。

采用包交換的數(shù)據(jù)傳輸方式，在一條鏈路上可以提供多個數(shù)據(jù)通路，大大提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。

附圖說明

圖1片上網(wǎng)絡主要拓撲結構。其中，（a）樹狀，（b）星狀，（c）網(wǎng)格狀。

圖2 廣播和點對點傳輸?shù)耐ㄐ沛溌罚?×5 Mesh）。其中，（a）為廣播的通信鏈路，（b）為點對點傳輸?shù)耐ㄐ沛溌贰?/p>

圖3 數(shù)據(jù)包的結構。

圖4 數(shù)據(jù)包包頭的結構。

圖5 點對點傳輸不同位置的核接收到的數(shù)據(jù)塊個數(shù)（優(yōu)化前）。

圖6 點對點傳輸不同位置的核接收到的數(shù)據(jù)塊個數(shù)（優(yōu)化后）。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發(fā)明作進一步的描述。

首先，廣播過程是實現(xiàn)并行GPDT算法中通信開銷最大的通信任務，為了減少廣播過程中的通信延時，本發(fā)明將主核放置在二維Mesh網(wǎng)絡的中心位置，其他子核放置在其周圍，使得主核到達其他子核的平均距離最短，最重要的是本發(fā)明設計了相對平衡的廣播通信機制，以25核的Mesh網(wǎng)絡為例如圖2（a），這種機制具體實現(xiàn)方式如下：

以主核為坐標原點，穿過主核的相互垂直且平行于Mesh網(wǎng)絡的相鄰兩條邊的線分別為x軸和y軸，為該坐標系中的所有核設置坐標（x₀,y₀）.如果目標核的坐標x₀<0,y₀≥0或x₀>0,y₀≤0，那么廣播數(shù)據(jù)時從坐標原點（0,0）出發(fā)，先沿x方向到達（x₀,0），再沿y方向到達（x₀，y₀）；如果目標核的坐標x₀<0,y₀≤0或x₀>0,y₀≥0，那么廣播數(shù)據(jù)時從坐標原點（0,0）出發(fā)，先沿y方向到達（0,y₀），再沿x方向到達（x₀，y₀）。

接著，點對點傳輸所占用的通信鏈路如圖2（b）所示，每個子核只向與其相鄰的核發(fā)送數(shù)據(jù)，與本地的數(shù)據(jù)累加之后，再依次傳輸?shù)街骱?，不僅減少通信數(shù)據(jù)量，還能減輕主核的工作負擔。仍然以廣播時的坐標系為點對點傳輸?shù)淖鴺讼?，假設要發(fā)送數(shù)據(jù)的子核的坐標為（x₀,y₀）。如果發(fā)送數(shù)據(jù)核的坐標x₀<0,y₀≥0或x₀>0,y₀≤0，那么點對點傳輸數(shù)據(jù)時從（x₀,y₀）出發(fā)，先沿x方向到達（x₀+1,y₀）或（x₀-1,y₀）核，在該核處與本地數(shù)據(jù)一起進行處理（累加操作），重復該過程直至到達（0，y₀），再沿y方向重復上述過程直至到達主核（0,0）；如果發(fā)送數(shù)據(jù)核的坐標x₀<0,y₀≤0或x₀>0,y₀≥0，那么點對點傳輸數(shù)據(jù)時從（x₀,y₀）出發(fā)，先沿y方向到達（x₀,y₀+1）或（x₀,y₀-1），在該核處與本地數(shù)據(jù)一起進行處理，重復該過程直至到達（x₀,0），再沿x方向重復上述過程直至到達主核（0,0）。

本發(fā)明用到的通信方式為包交換。包交換是把由二進制數(shù)據(jù)表示的信息，分組為若干個長度相同的包，在每個包中添加地址信息和控制信息，在網(wǎng)絡中以“存儲-轉發(fā)”的方式傳輸，即電路一旦空閑開始傳輸，不會占用固定的信道，被稱為是無連接的方式，在一條鏈路上可以提供多個數(shù)據(jù)通路，大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是由32bit的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的結構如圖3所示，數(shù)據(jù)包中head表示包頭，包含了數(shù)據(jù)包的地址信息和控制信息，recv[i]表示發(fā)送的數(shù)據(jù)中每個數(shù)據(jù)塊的長度，disp[i]表示每個數(shù)據(jù)塊在原矩陣中的起始位置，data[i]表示數(shù)據(jù)塊的具體內(nèi)容。其中，包頭的結構如圖4所示，length表示數(shù)據(jù)包的長度，numSlice表示數(shù)據(jù)塊的個數(shù)；destY表示目標節(jié)點的縱坐標，destX表示目標節(jié)點的橫坐標；multicast表示是否廣播，廣播時multicast置為1，點對點時，multicast置為0；reserved為保留位。

由圖5可以看出，點對點傳輸時，子核越靠近主核發(fā)送的數(shù)據(jù)越多，通信量越大，在并行GPDT算法中存在兩種不同類型的數(shù)據(jù)匯總行為（矩陣拼接和矩陣累加），為了減少整個并行GPDT的工作時間，除了將計算任務分配到多核上之外，也將矩陣拼接和累加的操作劃分到多核上，不但減少了主核的工作量，也大大減少通信數(shù)據(jù)量，優(yōu)化后的通信數(shù)據(jù)量如圖6所示。