无线片上网络中可重构高能效的路由器及功率门控方法与流程

1.本发明属于集成电路芯片设计的应用技术领域，更具体是一种无线片上网络可重构高能效降低功耗的路由器及其功率门控方法。


背景技术：

2.随着进入超深微米时代，硅技术和集成电路制造工艺得到不断进步，在单个芯片上集成数十亿甚至于数百亿个晶体管和数百个处理器内核成为可能。尽管传统片上网络(network on chip，noc)具有一定的优势，然而片上集成核数目的增多以及基于平面金属互联多跳通信所引起的性能限制，会导致数据传输的延迟和功耗急剧增加，无法在满足通信的需求。无线片上网络(wireless network on chip,winoc)采用了成熟的毫米波(mm
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wave)技术及zig
‑
zag天线，构成了有线和无线混合的片上网络，不仅可以实现高效的长距离通信，同时还拥有与cmos工艺兼容的优势，winoc在功耗和延迟等方面具有优越的表现，受到国内外研究者的广泛关注。
3.一方面，随着多核处理器内核数量的不断增加，对可扩展、快速且节能互连的需求随之增大，winoc的总功耗占芯片功耗比重也越来越大，除了越来越多的基准路由器所带来的静态功耗，winoc的wi由于其通信机制问题导致的较长空闲时间也引入了不可忽视的静态功耗开销，然而winoc中的所有组件将不会一直使用，并且由于散热设计功率的限制，所有组件都无法始终通电；另一方面，许多核心处理器通常显示出较低的核心利用率(通常为15％至55％)，并且某些内核会定期进入深度睡眠状态，如果winoc的路由器未与内核使用情况成比例地关闭，那么功耗占比会更高。特别是，静态功率部分贡献了很大一部分noc功率，并且随着制造技术的进一步扩展，这一贡献将继续增长。
4.功率门控(power gating)被认为是该问题有希望的解决方案。功率门控是一种被广泛接受的消除数字电路中未使用、空闲元件泄露功耗的方法。为了有效地对数字电路应用功率门控，需要电路的空闲时间足够长，如果没有合理的设计，引入功率门控所导致的负面影响可能会掩盖其潜在的增益。虽然winoc被设计能够容忍节点之间的高通信负载从而避免达到性能瓶颈，但在实际应用模式表现中较为平静。在8*8mesh上运行应用程序时，平均有92.7％的路由器是空闲的，而winoc功耗的很大一部分来自路由器的静态功耗，这就表明功率门控有很大的应用前景。虽然这种方法可以有效地降低静态功耗，但它有几个缺点:第一，睡眠的路由器从网络中断开，数据包延迟增加，数据包遇到睡眠路由器时必须等待其唤醒；第二，增加了额外开销，功率门控需要增加额外的控制组件。因此如果要使用功率门控，连续空闲周期应该足够大，以能够补偿强加的唤醒功率开销。


技术实现要素：

5.本发明是为了避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种无线片上网络中可重构高能效的路由器及功率门控方法，以期能使用较小的额外面积和功耗开销，高效地完成无线片上网络路由器的功率门控，从而保证网络中较低的网络延迟和较高的饱和吞吐
量，以大大提高网络的能效。
6.本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
7.本发明一种无线片上网络中可重构高能效的路由器，所述无线片上网络是由多个子网组成，每个子网由一个无线路由器wr以及n个有线路由器br组成；其中，所述无线路由器wr是由第n 1个有线路由器br配备上无线接口wi构成，每个有线路由器br均包括：输入端口、输出端口、缓冲区、交叉开关、路由逻辑、虚通道分配器、交叉开关分配器；所述无线接口包括：发送端tx和接收端rx；所述发送端tx包括：发送端tx的缓冲区、串行化器、调制器、功率放大器；所述接收端rx包括：接收端rx的缓冲器、低噪放大器、解调器、解串行化器、解码器和编码器；其特点是：在n 1个有线路由器br中均设置有路由器内添加功率门控单元，在所述无线接口中添加无线功率门控控制器；
8.所述功率门控模块包括：有线功率门控控制器、旁路控制器；其中，所述有线功率门控控制器由电源控制开关以及一个可复用预测器组成，所述旁路控制器由旁路、y
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寄存器、l
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寄存器以及地址比较器组成；所述可复用预测器中设有状态寄存器；
9.第i个有线路由器br_i中的可复用预测器根据自身有线路由器的使用情况以及l
‑
寄存器的状态信息判断自身有线路由器是否进入睡眠或者工作状态；
10.若第i个有线路由器br_i即将进入空闲状态，则有线功率门控控制器发送router_pg信号给自身有线路由器；第i个有线路由器br_i的输入端口暂停接收数据包，并等待输出端口、缓冲区、交叉开关、路由逻辑、虚通道分配器和交叉开关分配器完成传输后清空残留数据包，并使用所述电源控制开关关闭第i个有线路由器的电源以进入睡眠状态；
11.若第i个有线路由器br_i处于睡眠状态时，第i个有线路由器br_i启用旁路和旁路控制器，由旁路及旁路控制器按照偏转规则进行数据包的传输：数据包由东西方向输入，则通过东西端口的旁路进行传输；若数据包由南北方向输入，则在所述地址比较器可用时将数据包传入地址比较器，在地址比较器不可用时，将数据包寄存在l
‑
寄存器或y
‑
寄存器中，若地址比较器中的数据包的目的地的y方向地址与第i个有线路由器的地址相同，则通过本地端口输出所述数据包，若两者不同，则从数据包输入方向相反的另一端口输出数据包；同时可复用预测器也将状态寄存器中的输入信息更替为l
‑
寄存器的状态信息；
12.若第i个有线路由器br_i即将进入工作状态，则有线功率门控控制器发送router_wu信号给自身有线路由器，并等待旁路及旁路控制器中的数据包清空后，关闭旁路电源并接通第i个有线路由器br_i的电源；同时，可复用预测器也将状态寄存器中的输入信息更替为第i个有线路由器br_i的状态信息；
13.所述无线路由器wr根据令牌信息使用无线功率门控控制器进行功率门控：当无线接口的发送端tx使用完令牌并将令牌转发给其他无线接口后，发送端tx发送token_leave信号给无线功率门控控制器；所述无线功率门控控制器收到所述token_leave信号后，反馈tx_pg信号给所述发送端tx；所述发送端tx收到所述tx_pg信号后，将发送天线、串行化器、调制器、功率放大器的电源关闭并进入睡眠状态；
14.当所述无线路由器wr的接收端rx接收到令牌后，无线功率门控控制器发送tx_wu信号给发送端tx，所述发送端tx收到tx_wu信号后将发送天线、串行化器、调制器、功率放大器的电源开启以进入工作状态。
15.本发明所述的混合分层无线片上网络中可重构高能效的路由器的特点也在于，所
述可复用预测器是按如下过程判断第i个有线路由器br是否进入睡眠或者工作状态：
16.若第i个有线路由器br_i为开启状态时，且在当前连续的t个周期中，第i个有线路由器br_i均处于空闲状态，即所述状态寄存器中均为free状态，则表示第i个有线路由器br_i在第t t个周期将处于空闲状态，所述有线功率门控控制器对第i个有线路由器br_i进行功率门控，以进入睡眠；
17.若第i个有线路由器br_i为睡眠状态时，且在当前连续的t个周期中，所述l
‑
寄存器被多次使用，即所述状态寄存器中出现多次的full状态，则表示第i个有线路由器br_i将在第t t个周期将处于繁忙状态，所述有线功率门控控制器对第i个有线路由器br_i进行唤醒，以进入工作状态；
18.所述偏转规则为：如果数据包下一跳的有线路由器处于睡眠状态，且下一跳的有线路由器为目的地的路由器或与目的地的路由器处于相同的y方向地址/x方向地址，则当前跳的有线路由器将数据包向目的地的路由器的x方向地址/y方向地址进行偏转。
19.本发明一种无线片上网络中可重构高能效的路由器的功率门控方法，所述无线片上网络是由多个子网组成，每个子网由一个无线路由器wr以及n个有线路由器br组成；其中，所述无线路由器wr是由第n 1个有线路由器br配备上无线接口wi构成，每个有线路由器br均包括：输入端口、输出端口、缓冲区、交叉开关、路由逻辑、虚通道分配器、交叉开关分配器；所述无线接口包括：发送端tx和接收端rx；所述发送端tx包括：发送端tx的缓冲区、串行化器、调制器、功率放大器；所述接收端rx包括：接收端rx的缓冲器、低噪放大器、解调器、解串行化器、解码器和编码器；其特点是，在n 1个有线路由器br中均设置有路由器内添加功率门控单元，在所述无线接口中添加无线功率门控控制器；
20.所述功率门控模块包括：有线功率门控控制器、旁路控制器；其中，所述有线功率门控控制器由电源控制开关以及一个可复用预测器组成，所述旁路控制器由旁路、y
‑
寄存器、l
‑
寄存器以及地址比较器组成；所述可复用预测器中设有状态寄存器；
21.所述功率门控方法是包括有线路由器的功率门控方法以及无线路由器的功率门控方法；
22.所述有线路由器的功率门控方法是按照如下步骤进行：
23.步骤1、若第i个有线路由器br_i为开启状态时，数据包由通过所述输入端口、缓冲区、交叉开关、路由逻辑、虚通道分配器、交叉开关分配器、输出端口完成传输；
24.若在当前连续的t个周期中，第i个有线路由器br_i均处于空闲状态，即所述状态寄存器中均为free状态，则表示第i个有线路由器br_i在第t t个周期将处于空闲状态，所述有线功率门控控制器对第i个有线路由器br_i进行功率门控，以进入睡眠；
25.步骤2、若第i个有线路由器br_i即将进入空闲状态，则有线功率门控控制器发送router_pg信号给自身有线路由器，第i个有线路由器br_i输入端口暂停接收数据包，并等待输出端口、缓冲区、交叉开关、路由逻辑、虚通道分配器和交叉开关分配器完成传输后清空残留数据包并使用所述电源控制开关关闭第i个有线路由器的电源以进入睡眠状态；
26.步骤3、若第i个有线路由器进入睡眠状态时，第i个有线路由器br_i启用旁路和旁路控制器，由旁路及旁路控制器按照偏转规则进行数据包的传输：若数据包由东西方向输入，则通过东西端口的旁路进行传输；若数据包由南北方向输入，则在所述地址比较器可用时将数据包传入地址比较器，在地址比较器不可用时，将数据包寄存在l
‑
寄存器或y
‑
寄存
器中，若地址比较器中的数据包的目的地的y方向地址与第i个有线路由器的地址相同，则通过本地端口输出所述数据包，若两者不同，则从数据包输入方向相反的另一端口输出数据包；同时，可复用预测器也将状态寄存器中的输入信息更替为l
‑
寄存器的状态信息；
27.步骤4、若第i个有线路由器br_i为睡眠状态时，且在当前连续的t个周期中，所述l
‑
寄存器被多次使用，即所述状态寄存器中出现多次的full状态，则表示第i个有线路由器br_i将在第t t个周期将处于繁忙状态，所述有线功率门控控制器对第i个有线路由器br_i进行唤醒，以进入工作状态；
28.步骤5、若第i个有线路由器br_i即将进入工作状态，则有线功率门控控制器发送router_wu信号给自身有线路由器，并等待旁路及旁路控制器中的数据包清空后，关闭旁路电源并接通第i个有线路由器br_i的电源；同时，可复用预测器也将状态寄存器中的输入信息更替为第i个有线路由器br_i的状态信息；
29.所述无线路由器的功率门控方法是按照如下步骤进行：
30.步骤a、所述无线路由器wr根据令牌信息使用无线功率门控控制器对无线接口的发送端tx进行功率门控：
31.当无线接口的发送端tx使用完令牌并将令牌转发给其他无线接口时，表示发送端tx在下一次令牌到来之前处于空闲状态，则发送端tx发送token_leave信号给无线功率门控控制器，所述无线功率门控控制器反馈tx_pg信号给发送端tx，并将发送天线、串行化器、调制器、功率放大器的电源关闭以进入睡眠状态；
32.步骤b、当所述无线路由器wr的接收端rx接收到令牌后，无线功率门控控制器发送tx_wu信号到发送端tx，所述发送端tx收到tx_wu信号后将发送天线、串行化器、调制器、功率放大器的电源开启来唤醒并进入工作状态。
33.本发明所述的混合分层无线片上网络中可重构高能效的路由器的功率门控方法的特点也在于，所述偏转规则为：如果数据包下一跳的有线路由器处于睡眠状态，且下一跳的有线路由器为目的地的路由器或与目的地的路由器处于相同的y方向地址/x方向地址，则当前跳的有线路由器将数据包向目的地的路由器的x方向地址/y方向地址进行偏转。
34.与已有技术相比，本发明效果体现在：
35.1、本发明提出了一种可重构高能效的路由器及功率门控方法，使得wi的tx端和路由器在空闲时进入睡眠状态，从而保证了路由器在网络中的连接性，有效利用了空闲时间，降低了网络的静态功耗，提高了网络的能效；
36.2、本发明的功率门控控制器利用可复用预测器，从而能够高效的预测路由器的状态信息，合理有效地控制路由器的唤醒及睡眠，提高了功率门控的效率，提高了网络的能效；
37.3、本发明的旁路控制器通过构建合适的旁路，从而高效地旁路数据包，使路由器在休眠时保持在网络中的连接性，有效减少了突发性数据包到来的影响；制定了偏转规则，从而降低了数据包面对睡眠路由器的偏转率；
38.4、本发明根据令牌对无线接口发送端进行功率门控，从而充分地利用了其空闲时间、降低了静态功耗。
附图说明
39.图1是现有技术混合分层无线片上网络拓扑结构图；
40.图2是本发明中可重构高能效有线路由器架构图；
41.图3a是现有传统五端口路由器结构示意图；
42.图3b是本发明中添加旁路及旁路控制单元的路由器结构示意图；
43.图3c是本发明中旁路及旁路控制单元结构示意图；
44.图4a是本发明中可复用预测器输入信息为路由器状态的结构示意图；
45.图4b是本发明中可复用预测器输入信息为l
‑
寄存器状态的结构示意图；
46.图5是本发明中可重构高能效无线路由器架构图。
具体实施方式
47.本实施例中，一种无线片上网络中可重构高能效的路由器架构，是应用于混合分层无线片上网络中，其中，网络由多个子网组成，每个子网由一个无线路由器wr以及若干个有线路由器br组成，其拓扑结构如图1所示；采用这种混合分层无线片上网络架构能够地平衡片上网络性能、功耗和面积开销。
48.其中，可重构高能效有线路由器架构如图2所示，由自身基准有线路由器br及添加的功率门控模块组成，基准有线路由器br包括：输入端口、输出端口、缓冲区、交叉开关、路由逻辑、虚通道分配器、交叉开关分配器；添加的功率门控模块包括两个控制器：功率门控控制器和旁路控制器。
49.如图3a所示为现有传统五端口路由器结构示意图，包括：东、西、南、北以及本地端口；如图3b所示，为本发明中添加旁路及旁路控制单元的路由器结构示意图，当路由器进入睡眠状态时旁路链接启用，其中东、西端口通过旁路相连，南、北与本地端口通过旁路连接到旁路控制器；如图3c所示为旁路及旁路控制单元结构示意图，由地址比较器以及两个寄存器(l
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寄存器和y
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寄存器)组成。
50.如图4a所示为可复用预测器输入信息为路由器状态的结构示意图，表明若第i个有线路由器br_i为开启状态时，且在当前连续的t个周期中，第i个有线路由器br_i均处于空闲状态，即状态寄存器中均为free状态，表示第i个有线路由器br_i在第t t个周期将处于空闲状态，有线功率门控控制器对第i个有线路由器br_i进行功率门控，以进入睡眠；
51.图4b所示为可复用预测器输入信息为l
‑
寄存器状态的结构示意图，表明若第i个有线路由器br_i为睡眠状态时，且在当前连续的t个周期中，l
‑
寄存器被多次使用，即状态寄存器中出现多次的full状态，则表示第i个有线路由器br_i将在第t t个周期将处于繁忙状态，有线功率门控控制器对第i个有线路由器br_i进行唤醒，以进入工作状态；
52.可重构高能效无线路由器架构如图5所示，是由基准路由器加上无线端口形成的无线路由器上添加功率门控控制器构成，其中无线接口发送端tx缓冲区、串行化器、调制器、功率放大器；接收端rx缓冲器、低噪放大器、解调器、解串行化器、解码器和编码器；通过获取token到来及离开信息对无线接口的发送端进行功率门控。
53.功率门控模块包括：有线功率门控控制器、旁路控制器；其中，有线功率门控控制器由电源控制开关以及一个可复用预测器组成，旁路控制器由旁路、y
‑
寄存器、l
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寄存器以及地址比较器组成；可复用预测器中设有状态寄存器；
54.第i个有线路由器br_i中的可复用预测器根据自身有线路由器的使用情况以及l
‑
寄存器的状态信息判断自身有线路由器是否进入睡眠或者工作状态；
55.若第i个有线路由器br_i即将进入空闲状态，则有线功率门控控制器发送router_pg信号给自身有线路由器；第i个有线路由器br_i的输入端口暂停接收数据包，并等待输出端口、缓冲区、交叉开关、路由逻辑、虚通道分配器和交叉开关分配器完成传输后清空残留数据包，并使用电源控制开关关闭第i个有线路由器的电源以进入睡眠状态；
56.若第i个有线路由器br_i处于睡眠状态时，第i个有线路由器br_i启用旁路和旁路控制器，由旁路及旁路控制器按照偏转规则进行数据包的传输：若数据包由东西方向输入，则通过东西端口的旁路进行传输；若数据包由南北方向输入，则在地址比较器可用时将数据包传入地址比较器，在地址比较器不可用时，将数据包寄存在l
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寄存器或y
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寄存器中，若地址比较器中的数据包的目的地的y方向地址与第i个有线路由器的地址相同，则通过本地端口输出数据包，若两者不同，则从数据包输入方向相反的另一端口输出数据包；同时可复用预测器也将状态寄存器中的输入信息更替为l
‑
寄存器的状态信息；其中，偏转规则为：如果数据包下一跳的有线路由器处于睡眠状态，且下一跳的有线路由器为目的地的路由器或与目的地的路由器处于相同的y方向地址/x方向地址，则当前跳的有线路由器将数据包向目的地的路由器的x方向地址/y方向地址进行偏转。
57.若第i个有线路由器br_i即将进入工作状态，则有线功率门控控制器发送router_wu信号给自身有线路由器，并等待旁路及旁路控制器中的数据包清空后，关闭旁路电源并接通第i个有线路由器br_i的电源；同时，可复用预测器也将状态寄存器中的输入信息更替为第i个有线路由器br_i的状态信息；
58.无线路由器wr根据令牌信息使用无线功率门控控制器进行功率门控：当无线接口的发送端tx使用完令牌并将令牌转发给其他无线接口后，发送端tx发送token_leave信号给无线功率门控控制器；无线功率门控控制器收到token_leave信号后，反馈tx_pg信号给发送端tx；发送端tx收到tx_pg信号后，将发送天线、串行化器、调制器、功率放大器的电源关闭并进入睡眠状态；
59.当无线路由器wr的接收端rx接收到令牌后，无线功率门控控制器发送tx_wu信号给发送端tx，发送端tx收到tx_wu信号后将发送天线、串行化器、调制器、功率放大器的电源开启以进入工作状态。
60.本实施例中，功率门控方法是包括：有线路由器的功率门控方法以及无线路由器的功率门控方法；
61.有线路由器的功率门控方法是按照如下步骤进行：
62.步骤1、若第i个有线路由器br_i为开启状态时，数据包由通过输入端口、缓冲区、交叉开关、路由逻辑、虚通道分配器、交叉开关分配器、输出端口完成传输；
63.若在当前连续的t个周期中，第i个有线路由器br_i均处于空闲状态，即状态寄存器中均为free状态，则表示第i个有线路由器br_i在第t t个周期将处于空闲状态，有线功率门控控制器对第i个有线路由器br_i进行功率门控，以进入睡眠；
64.步骤2、若第i个有线路由器br_i即将进入空闲状态，则有线功率门控控制器发送router_pg信号给自身有线路由器，第i个有线路由器br_i输入端口暂停接收数据包，并等待输出端口、缓冲区、交叉开关、路由逻辑、虚通道分配器和交叉开关分配器完成传输后清
空残留数据包并使用电源控制开关关闭第i个有线路由器的电源以进入睡眠状态；
65.步骤3、若第i个有线路由器进入睡眠状态时，第i个有线路由器br_i启用旁路和旁路控制器，由旁路及旁路控制器按照偏转规则进行数据包的传输：若数据包由东西方向输入，则通过东西端口的旁路进行传输；若数据包由南北方向输入，则在地址比较器可用时将数据包传入地址比较器，在地址比较器不可用时，将数据包寄存在l
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寄存器或y
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寄存器中，若地址比较器中的数据包的目的地的y方向地址与第i个有线路由器的地址相同，则通过本地端口输出数据包，若两者不同，则从数据包输入方向相反的另一端口输出数据包；同时，可复用预测器也将状态寄存器中的输入信息更替为l
‑
寄存器的状态信息；其中，偏转规则为：如果数据包下一跳的有线路由器处于睡眠状态，且下一跳的有线路由器为目的地的路由器或与目的地的路由器处于相同的y方向地址/x方向地址，则当前跳的有线路由器将数据包向目的地的路由器的x方向地址/y方向地址进行偏转。
66.步骤4、若第i个有线路由器br_i为睡眠状态时，且在当前连续的t个周期中，l
‑
寄存器被多次使用，即状态寄存器中出现多次的full状态，则表示第i个有线路由器br_i将在第t t个周期将处于繁忙状态，有线功率门控控制器对第i个有线路由器br_i进行唤醒，以进入工作状态；
67.步骤5、若第i个有线路由器br_i即将进入工作状态，则有线功率门控控制器发送router_wu信号给自身有线路由器，并等待旁路及旁路控制器中的数据包清空后，关闭旁路电源并接通第i个有线路由器br_i的电源；同时，可复用预测器也将状态寄存器中的输入信息更替为第i个有线路由器br_i的状态信息；
68.无线路由器的功率门控方法是按照如下步骤进行：
69.步骤a、无线路由器wr根据令牌信息使用无线功率门控控制器对无线接口的发送端tx进行功率门控：
70.当无线接口的发送端tx使用完令牌并将令牌转发给其他无线接口时，表示发送端tx在下一次令牌到来之前处于空闲状态，则发送端tx发送token_leave信号给无线功率门控控制器，无线功率门控控制器反馈tx_pg信号给发送端tx，并将发送天线、串行化器、调制器、功率放大器的电源关闭以进入睡眠状态；
71.步骤b、当无线路由器wr的接收端rx接收到令牌后，无线功率门控控制器发送tx_wu信号到发送端tx，发送端tx收到tx_wu信号后将发送天线、串行化器、调制器、功率放大器的电源开启来唤醒并进入工作状态。
72.综上所述，本发明利用网络运行中路由器大量的空闲时间进行功率门控，降低了网络的静态功耗；为路由器构建旁路，使路由器在休眠时保持在网络中的连接性；制定了偏转规则，降低了数据包面对睡眠路由器的偏转率；利用可复用预测器，减少了路由器唤醒次数，减少了睡眠时间碎片化，有效延长了路由器的睡眠时间、提高了网络的能效。实验表明，本实施方法使用了较小的额外面积和功耗开销，高效地完成了无线片上网络路由器的功率门控，可以保证网络中较低的网络延迟和较高的饱和吞吐量，大大提高了网络的能效。