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NoC设计中Router Table的作用

news 2025/8/13 8:09:56

NoC设计中Router Table的作用

       摘要：在Network-on-Chip (NoC)设计中，router table（路由表）是路由器（router）组件的核心元素，用于指导数据包（packet）或flit（数据片段）在片上网络中的转发路径。NoC是一种片上互连架构，用于多核处理器、SoC（System-on-Chip）等系统，将多个IP核（处理器、内存、外围设备）通过路由器和链路连接起来，提供高效、低延迟的通信。

Router Table的主要用途

  • 路径决策：路由器接收到数据包时，根据包头中的目的地址（destination ID）查询路由表，确定输出端口（output port）或下一跳（next hop）。这实现了从源核到目的核的端到端路由。
  • 支持路由算法：路由表存储预计算或动态生成的路由信息，支持各种路由策略，如确定性路由（deterministic，如XY路由）、自适应路由（adaptive，根据拥塞调整路径）或源路由（source routing，整个路径在源端预定义）。
  • 优化网络性能：通过负载均衡、避免热点（hotspots）和容错机制，提高吞吐量、降低延迟和功耗。
  • 死锁和活锁避免：表设计可融入转弯限制（turn models）或虚拟通道（virtual channels），防止循环依赖导致的死锁。
  • 适用场景：在表驱动路由（table-driven routing）中常见，尤其适用于不规则拓扑（如自定义NoC）或需要重配置的系统。相比纯逻辑路由（如XY算法的硬编码），路由表更灵活，但可能增加硬件开销。

简而言之，router table将路由决策从硬编码逻辑中解耦，使NoC更易扩展和优化。

Router Table的设计规则

       路由表的设计需要平衡硬件资源（面积、功耗）、性能（延迟、吞吐）和可靠性（死锁避免、容错）。以下是详细的设计规则，基于标准NoC框架（如2D网格、环形或Torus拓扑）和行业实践（参考Intel的Mesh NoC或学术工具如BookSim）。

1. 表结构和内容

  • 基本格式：路由表通常是一个查找表（lookup table），以目的地址（destination ID）为键，输出端口或下一跳ID为值。
    • 键（Key）：目的核的ID（e.g., 在4x4网格中，ID为(x,y)坐标或扁平化编号0-15）。
    • 值（Value）：输出端口号（e.g., North=0, East=1, South=2, West=3, Local=4）或完整路径位掩码（在源路由中）。
    • 扩展字段：可包括优先级、虚拟通道ID（VC ID，用于多路复用链路）、备用路径（for fault tolerance）。
  • 存储方式：使用RAM、CAM（Content-Addressable Memory）或寄存器阵列。小表用LUT（Look-Up Table），大表用哈希或分层结构以减少面积。
  • 大小规则：表大小 = 网络规模 × 条目宽度（e.g., 64核NoC可能有64条目，每条4-8位）。设计时需最小化：对于规则拓扑（如网格），可压缩表（只存差异路径）；对于大规模NoC，使用分布式表（每个路由器只存局部信息）。

2. 路由类型和算法集成

  • 确定性 vs. 自适应：
    • 确定性：表预填充固定路径（e.g., XY路由：先沿X轴，后沿Y轴）。规则：确保无循环路径，避免死锁。
    • 自适应：表动态更新，根据实时拥塞（e.g., 缓冲区占用率）选择路径。规则：集成监控逻辑，定期刷新表；使用最小路径算法（如Dijkstra）生成条目。
  • 源路由 vs. 分布式路由：
    • 源路由：整个路径存于包头，路由表在源端生成。规则：表只需在源路由器实现，减少中间查询延迟。
    • 分布式：每个路由器有自己的表，逐跳决策。规则：确保表一致性（全局视图），避免路由循环。
  • 死锁避免规则：
    • 使用转弯模型（turn models）：e.g., West-First模型禁止某些转弯（如从东到西），表中只允许合法输出端口。
    • 集成虚拟通道：表指定VC分配（e.g., 偶数VC用于上升路径，奇数用于下降），打破循环依赖。
    • 规则：验证表无环（acyclic），使用工具如Noxim模拟死锁场景。
  • 活锁避免：表设计禁止无限重路由（e.g., 设置重试上限）。

3. 性能和优化规则

  • 延迟优化：表查询应单周期（pipelined设计）。规则：使用并行查找或缓存热门条目。
  • 功耗和面积：最小化表大小（e.g., 通过区域路由：分组核共享路径）。规则：对于低功耗NoC，使用静态表（无动态更新电路）。
  • 负载均衡：表生成时使用算法均匀分布流量（e.g., OBL - Odd-Even转弯模型）。规则：模拟流量模式，调整表以避免热点。
  • 容错和重配置：
    • 包括备用路径（e.g., 如果链路故障，切换到次优端口）。
    • 支持运行时更新（e.g., 通过控制包或软件接口）。规则：添加表锁定机制，防止更新期间不一致。
  • 安全性规则：在安全NoC中，表可包括访问控制列表（ACL），限制非法路由。

4. 实现和验证规则

  • 硬件实现：用Verilog/SystemVerilog描述，集成到路由器流水线（仲裁阶段后）。
  • 验证：使用仿真工具（e.g., BookSim、Garnet）测试表正确性；检查死锁、延迟和吞吐。
  • 设计约束：表深度不超过网络直径（hops数）；对于ASIC，考虑时序（查询延迟<链路时钟周期）。

总体规则总结：路由表设计应"最小化、确定性和可扩展"——最小化硬件，确保确定性路由，避免扩展时重设计。

路由的例子

       假设一个4x4 2D网格NoC（16个核，坐标(0,0)到(3,3)），每个路由器有5个端口（N/E/S/W/Local）。我们使用确定性XY路由算法设计路由表，并举例路由过程。

示例路由表示例（静态表，XY路由）

  • XY路由规则：从源(x_s, y_s)到目的(x_d, y_d)，先水平移动到x_d（东/西），再垂直移动到y_d（北/南）。本地端口用于到达时。

  • 路由表示例（对于路由器在(1,1)的表，部分条目）：

    目的ID (x_d, y_d)输出端口解释
    (1,1)Local (4)本地核，直接交付。
    (2,1)East (1)X增加，先东移。
    (0,1)West (3)X减少，先西移。
    (1,2)North (0)X相同，后北移。
    (1,0)South (2)X相同，后南移。
    (3,3)East (1)先东到x=3，再北到y=3（但本路由器只决定下一跳：东）。
    (0,0)West (3)先西到x=0，再南到y=0（下一跳：西）。
    • 表大小：16条目（全网络），每条3位（端口编码）。
    • 死锁避免：XY严格顺序，无南-东转弯等，天然无环。

路由过程例子

  • 场景：数据包从源核(0,0)到目的核(2,3)。包头包含目的(2,3)。

  • 路径模拟（逐跳，使用XY表）：

    1. 在(0,0)路由器：查询表，x_d=2 > x_s=0，先东移。输出：East → 下一跳(1,0)。
    2. 在(1,0)路由器：x_d=2 >1，先东移。输出：East → (2,0)。
    3. 在(2,0)路由器：x_d=2相同，y_d=3 >0，后北移。输出：North → (2,1)。
    4. 在(2,1)路由器：x相同，北移。输出：North → (2,2)。
    5. 在(2,2)路由器：x相同，北移。输出：North → (2,3)。
    6. 在(2,3)路由器：匹配本地。输出：Local → 交付。

  • 总跳数：5 hops。路径：(0,0) → (1,0) → (2,0) → (2,1) → (2,2) → (2,3)。

  • 如果自适应：假设(2,1)到(2,2)链路拥塞，表可动态切换到备用路径（如先东到(3,0)，再调整），但需额外逻辑。

  • 可视化（文本表示的网格）：

    (0,3) (1,3) (2,3) (3,3)
(0,2) (1,2) (2,2) (3,2)
(0,1) (1,1) (2,1) (3,1)
(0,0) → (1,0) → (2,0) ↑ (2,1) ↑ (2,2) ↑ (2,3)

  • 扩展：如果添加虚拟通道，表可指定VC0用于X移动，VC1用于Y移动，进一步避免死锁。

       以下是Network-on-Chip (NoC)常见拓扑的SystemC代码示例。我选择了三种经典拓扑：2D Mesh、Torus和Ring。这些示例使用SystemC建模简化的NoC结构，包括路由器（router）模块、链路（使用sc_signal或sc_fifo）和简单路由逻辑（如XY路由 for Mesh）。每个示例都是完整的、可编译的（需SystemC库，e.g., g++ -o mesh mesh.cpp -lsystemc），并在sc_main中实例化拓扑，进行基本模拟。

       示例假设4x4规模（16个节点）或等效，节点简化为处理元素（PE），路由器处理flit（数据片段）。路由表使用简单逻辑实现（非完整表驱动，以简化代码；可扩展为前述路由表）。

1. 2D Mesh拓扑

  • 描述：节点排列成网格，相邻节点直接连接。常见于多核处理器（如Intel Xeon Phi）。优点：简单、短路径；缺点：边界节点延迟高。
#include "systemc.h"// 处理元素 (PE)：简单发送/接收
SC_MODULE(PE) {sc_in<int> input;sc_out<int> output;int id;SC_CTOR(PE) {SC_THREAD(process);sensitive << input;}void process() {while (true) {wait();cout << "PE " << id << " received: " << input.read() << endl;}}
};// 路由器：5端口 (N,E,S,W,Local)，XY路由
SC_MODULE(Router) {sc_in<int> north_in, east_in, south_in, west_in, local_in;sc_out<int> north_out, east_out, south_out, west_out, local_out;int x, y;  // 坐标SC_CTOR(Router) {SC_THREAD(route);sensitive << north_in << east_in << south_in << west_in << local_in;}void route() {while (true) {wait();// 假设flit格式: [dest_x, dest_y, data]// 简化: 只处理local_in发送，实际需仲裁int flit = local_in.read();  // 示例flit: dest_x * 10 + dest_yint dest_x = flit / 10;int dest_y = flit % 10;if (dest_x > x) east_out.write(flit);else if (dest_x < x) west_out.write(flit);else if (dest_y > y) north_out.write(flit);else if (dest_y < y) south_out.write(flit);else local_out.write(flit);  // 本地}}
};// 4x4 Mesh拓扑
SC_MODULE(MeshNoC) {Router* routers[4][4];PE* pes[4][4];sc_signal<int> horiz[4][5];  // 水平链路sc_signal<int> vert[5][4];   // 垂直链路SC_CTOR(MeshNoC) {for (int i = 0; i < 4; ++i) {for (int j = 0; j < 4; ++j) {routers[i][j] = new Router(sc_gen_unique_name("router"));routers[i][j]->x = i; routers[i][j]->y = j;pes[i][j] = new PE(sc_gen_unique_name("pe"));pes[i][j]->id = i*4 + j;// 连接本地routers[i][j]->local_in(pes[i][j]->output);routers[i][j]->local_out(pes[i][j]->input);// 连接东/西 (水平)if (j < 3) {routers[i][j]->east_out(horiz[i][j+1]);routers[i][j+1]->west_in(horiz[i][j+1]);}// 连接北/南 (垂直)if (i < 3) {routers[i][j]->north_out(vert[i+1][j]);routers[i+1][j]->south_in(vert[i+1][j]);}}}}
};int sc_main(int argc, char* argv[]) {MeshNoC noc("mesh");sc_start(100, SC_NS);return 0;
}
  • 说明：路由器使用XY算法决策。模拟中，可在PE中添加发送逻辑（e.g., output.write(dest*10 + data)）来测试路径。

2. Torus拓扑

  • 描述：类似于Mesh，但边界连接成环（e.g., 最左连接最右）。优点：均匀延迟、无边界效应；缺点：更长链路可能增加功耗。常见于高性能NoC（如IBM Blue Gene）。
#include "systemc.h"// PE 和 Router 与Mesh类似，但路由需处理环绕
SC_MODULE(PE) {  // 同上，省略以节省空间// ... (相同于Mesh示例)
};SC_MODULE(Router) {sc_in<int> north_in, east_in, south_in, west_in, local_in;sc_out<int> north_out, east_out, south_out, west_out, local_out;int x, y; int size = 4;  // 4x4SC_CTOR(Router) {SC_THREAD(route);sensitive << north_in << east_in << south_in << west_in << local_in;}void route() {while (true) {wait();int flit = local_in.read();  // [dest_x, dest_y, data] 简化: dest_x * 10 + dest_yint dest_x = flit / 10;int dest_y = flit % 10;int dx = (dest_x - x + size) % size;int dy = (dest_y - y + size) % size;if (dx > dy && dx != 0) {  // 简化维度顺序路由，处理环绕if (dx < size/2) east_out.write(flit); else west_out.write(flit);} else if (dy != 0) {if (dy < size/2) north_out.write(flit); else south_out.write(flit);} else {local_out.write(flit);}}}
};// 4x4 Torus拓扑
SC_MODULE(TorusNoC) {Router* routers[4][4];PE* pes[4][4];sc_signal<int> horiz[4][4];  // 水平环sc_signal<int> vert[4][4];   // 垂直环SC_CTOR(TorusNoC) {for (int i = 0; i < 4; ++i) {for (int j = 0; j < 4; ++j) {routers[i][j] = new Router(sc_gen_unique_name("router"));routers[i][j]->x = i; routers[i][j]->y = j;pes[i][j] = new PE(sc_gen_unique_name("pe"));pes[i][j]->id = i*4 + j;// 本地连接 (同Mesh)// 水平: 东连接下一，西连接前一 (环绕)routers[i][j]->east_out(horiz[i][(j+1)%4]);routers[i][(j+1)%4]->west_in(horiz[i][(j+1)%4]);// 垂直: 北连接上，南连接下 (环绕)routers[i][j]->north_out(vert[(i+1)%4][j]);routers[(i+1)%4][j]->south_in(vert[(i+1)%4][j]);}}}
};int sc_main(int argc, char* argv[]) {TorusNoC noc("torus");sc_start(100, SC_NS);return 0;
}
  • 说明：路由算法调整为处理环绕（使用模运算）。路径更均匀，例如从(0,0)到(3,3)可选择短环路。

3. Ring拓扑

  • 描述：节点成环形连接（单向或双向）。优点：简单、低开销；缺点：高延迟（O(N) hops）。常见于小型NoC或外围互连（如ARM的环形总线）。
#include "systemc.h"// PE：简单节点
SC_MODULE(PE) {sc_in<int> input;sc_out<int> output;int id;SC_CTOR(PE) {SC_THREAD(process);sensitive << input;}void process() {while (true) {wait();cout << "PE " << id << " received: " << input.read() << endl;}}
};// 路由器：2端口 (In, Out)，顺时针环
SC_MODULE(Router) {sc_in<int> in_port;sc_out<int> out_port;sc_in<int> local_in;sc_out<int> local_out;int id; int num_nodes = 8;  // 8节点环SC_CTOR(Router) {SC_THREAD(route);sensitive << in_port << local_in;}void route() {while (true) {wait();int flit;if (local_in.event()) flit = local_in.read();  // 优先本地else flit = in_port.read();int dest = flit / 10;  // 假设flit: dest * 10 + dataif (dest == id) local_out.write(flit);else out_port.write(flit);  // 转发下一}}
};// 8节点Ring拓扑 (单向)
SC_MODULE(RingNoC) {Router* routers[8];PE* pes[8];sc_signal<int> links[8];  // 环链路SC_CTOR(RingNoC) {for (int i = 0; i < 8; ++i) {routers[i] = new Router(sc_gen_unique_name("router"));routers[i]->id = i;pes[i] = new PE(sc_gen_unique_name("pe"));pes[i]->id = i;// 连接本地routers[i]->local_in(pes[i]->output);routers[i]->local_out(pes[i]->input);// 环连接: out -> next inrouters[i]->out_port(links[(i+1)%8]);routers[(i+1)%8]->in_port(links[(i+1)%8]);}}
};int sc_main(int argc, char* argv[]) {RingNoC noc("ring");sc_start(100, SC_NS);return 0;
}
  • 说明：简单转发路由。路径是环形，例如从节点0到节点4需4 hops。为双向环，可添加反向端口和路由逻辑。
http://www.lryc.cn/news/618574.html

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