面向层次形全连通的片上网络的核映射方法.pdf

本发明公开了一种面向层次形全连通的片上网络的核映射方法。本发明实现了快速产生初始核映射和用遗传算法来优化初始核映射。本发明是充分利用了层次形全连通网络拓扑的片上网络的特点从而有效地实现了层次形全连通的片上网络上的核映射方法。在遗传算法运行前快速产生一种比随机产生要好的初始核映射，明显地缩短了层次形全连通的片上网络的核映射时间。本发明可用于不同拓扑结构的片上网络中。

1.  一种面向层次形全连通的片上网络的核映射方法，其特征在于：
1)快速产生初始核映射：
第一步，根据片上网络中全连通网络结构来对核进行聚类，使得通信带宽要求大的核聚集到同一个类中，类的个数等于全连通网络结构中的节点数，每个类中的核的数量相等；
第二步，对第一步中产生的类进行聚类，重复执行第一步中的聚类过程，直到新产生的类中核的数量等于片上网络中全连通网络结构的节点数；
第三步，计算下一次聚类产生的每个类与不是自己所在的上一次聚类产生的每个类之间的通信带宽要求来确定下一次聚类产生的每个类在片上网络上的映射位置；重复进行迭代计算过程，直到确定了每个核在片上网络上的映射位置；
2)用遗传算法优化初始核映射：
用初始核映射作为遗传算法的种子，设定遗传算法的迭代次数，在迭代过程结束后产生最终的核映射结果。

面向层次形全连通的片上网络的核映射方法
技术领域
本发明涉及系统级芯片和片上网络领域，特别是涉及一种层次形全连通的片上网络上的核映射方法。
背景技术
随着纳米级CMOS集成电路技术和片上系统(SoC)技术的不断发展，片上多处理器(CMP)技术开始朝多核化(几十或上百个核)和异构化(即包含不同类型的核)的方向发展。目前，SoC设计中广泛采用的共享总线结构存在许多问题，是影响CMP性能的主要瓶颈：
(1)带宽限制。总线是一种共享介质的互连结构，某一时刻只允许一个设备使用总线，仲裁逻辑允许高优先级的设备获得总线的使用权。在总线被占用期间，其他所有请求被阻塞，直到总线空闲。当很多部件争用一条总线时，会造成严重阻塞，并会降低总线频率等。
(2)信号集成度。更低的电源电压及更小的特征线宽使得整个SoC系统对电流中的噪声更加敏感，而共享介质上的功能部件则进一步加重了噪声。
(3)信号延迟。随着集成特征尺寸的下降，连线延迟成为影响信号延迟的主要因素。总线结构是全局控制的，在10亿晶体管时代，全局连线延迟大于时钟周期，因此，总线结构的全局连线使得时钟的偏移很难管理。
(4)全局同步。全局连线上的信号延迟决定了系统的时钟周期，为了保持甚至提高系统时钟频率，只能对全局连线进行分布式流水线模式，或采用全局异步局部同步(GALS)的时钟模式。
由于共享总线结构已经无法满足SoC系统的需要，因此把互连网络用于片上系统设计，解决片上组件之间的通信问题，即片上网络(Network-on-chip，NoC)。NoC技术以其支持同时访问、可靠性高、可重用性高等特点成为更理想的大规模CMP互连技术。NoC克服了总线结构可扩展性差的缺点，为10亿晶体管时代提供了一种可行的片上系统通信机制。它除了可以连接更多的IP组件，与总线结构相比，还有高可重用性等特点。可重用性是SoC设计的一个重要设计原则。可重用性设计可以节省设计成本、提高设计的可靠性、缩短产品的上市周期。在基于总线的SoC设计中，各个IP组件是可重用的，但通信结构无法重用，必须重新设计；在NoC中，各组件是可重用的，片上通信结构及片上通信服务也是可重用的。设计新系统时，只须在原系统上添加路由部件和功能部件，大大加快了设计的进度。
NoC上的核映射是NoC设计中的一个重要步骤，确定了SoC所选用的IP核之后，核映射就决定了从IP核到NoC体系结构的对应关系。不同的映射结果，对于系统的通信时延、通信能耗等性能有着重要的影响。为了减小NoC上的通信能耗，需要找到一种核映射结果使得所有核之间的通信带宽要求与通信距离的乘积和要尽可能的小。NoC上的核映射等同于受约束的二次分配问题，直接的做法是用智能算法来寻找较优的映射结果。但是当NoC规模变大时，智能算法的执行时间会呈指数级增长。因此，许多研究者提出了各种算法来缩短寻找映射结果的时间。但目前只有在二维网格结构的片上网络上来寻找映射结果的算法，还没有针对层次形全连通的片上网络提出一种快速寻找映射结果的算法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向层次形全连通的片上网络的核映射方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：
1)快速产生初始核映射：
第一步，根据片上网络中全连通网络结构来对核进行聚类，使得通信带宽要求大的核聚集到同一个类中，类的个数等于全连通网络结构中的节点数，每个类中的核的数量相等；
第二步，对第一步中产生的类进行聚类，重复执行第一步中的聚类过程，直到新产生的类中核的数量等于片上网络中全连通网络结构的节点数；
第三步，计算下一次聚类产生的每个类与不是自己所在的上一次聚类产生的每个类之间的通信带宽要求来确定下一次聚类产生的每个类在片上网络上的映射位置；重复进行迭代计算过程，直到确定了每个核在片上网络上的映射位置；
2)用遗传算法优化初始核映射：
用初始核映射作为遗传算法的种子，设定遗传算法的迭代次数，在迭代过程结束后产生最终的核映射结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)高效性。本发明实现了一种面向层次形全连通的片上网络的核映射方法，在片上网络规模变大时，用遗传算法来寻找映射结果时随机产生遗传算法的种子的时间会呈指数级增长，而本发明的方法能够快速地产生初始核映射作为遗传算法的种子，因此明显缩短了层次形全连通的片上网络的核映射时间。而且本发明的方法产生的初始核映射把通信带宽要求大的核放到相临较近的位置，比随机产生的核映射的结果要好，因此产生相等的核映射结果本发明的方法中遗传算法需要的迭代次数要少，缩短了遗传算法的运行时间，从而缩短了层次形全连通的片上网络的核映射时间。
(2)可靠性。本发明通过对层次形全连通的片上网络的结构进行仔细的分析，仔细地设计了产生层次形全连通的片上网络的初始核映射的过程，并仔细地设计了遗传算法的运行过程，保证了算法最终能够产生核映射结果。
(3)实用性。本发明提出的一种面向层次形全连通的片上网络的核映射方法，可以稍做修改用于不同拓扑结构的片上网络中。
附图说明
图1是16个节点的层次形全连通的片上网络的示意图。
图2是64个节点的层次形全连通的片上网络的示意图。
图3是产生层次形全连通的片上网络的核映射结果的算法示意图。
具体实施方式
1)层次形全连通的片上网络：
层次形全连通的片上网络(WK-recursive NoC)是一种非常重要拓扑结构的片上网络。层次形全连通的片上网络是由基本单元递归地构造，基本单元可以是任意节点数的全连通网络。下面为了方便，用WK(d，t)来表示一个有t层网络，基本单元是d个节点的全连通网络的层次形全连通的片上网络，其中d>1，t≥1.图1是16个节点的层次形全连通的片上网络，可以用WK(4，2)表示，4表示基本单元是4个节点相互之间都连通的网络，2表示整个层次形全连通的片上网络有两层递归的网络结构。图2是64个节点的层次形全连通的片上网络，可以用WK(4，3)表示，3表示整个层次形全连通的片上网络有三层递归的网络结构。
2)快速产生初始核映射：
下面用WK(4，3)的层次形全连通的片上网络来说明整个算法的运算过程，如图3所示：
第一步，根据片上网络中全连通网络结构来对核进行聚类，使得通信带宽要求大的核聚集到同一个类中，类的个数等于全连通网络结构中的节点数，每个类中的核的数量相等
WK(4，3)的层次形全连通的片上网络中的全连通网络结构的节点数是4，所以把64个核分成4类，每个类中有16个核。首先，从64个核中选出相互之间通信带宽要求最大的两个核，然后从剩下的62个核中选出一个与前面已经选出的两个核通信带宽要求的和最大的核，接着选出一个与前面已经选出的三个核通信带宽要求的和最大的核，直到选出了16个核，这样就构成了一个类。把第一个选出的类放到图2中标号以“0”为开头的WK(4，2)的层次形全连通的片上网络中，重复前面的过程，把接着选出的三个类按先后顺序分别放到标号以“1”为开头、以“2”为开头、以“3”为开头的WK(4，2)的层次形全连通的片上网络中.
第二步，对第一步中产生的类进行聚类，重复执行第一步中的聚类过程，直到新产生的类中核的数量等于片上网络中全连通网络结构的节点数
对第一步中产生的4个类都重复第一步的过程，把每个类都再分成4个类。因为这样新产生的每个类中都包含4个核，等于全连通网络结构的节点数4，所以第二步的运算完成。如果是WK(4，4)的层次形全连通的片上网络，第二步就需要重复执行两次第一步中的聚类过程。
第三步，计算第二次聚类产生的每个类与不是自己所在的第一次聚类产生的每个类之间的通信带宽要求来确定第二次聚类产生的每个类在片上网络上的映射位置
现在要调整每个基本单元在WK(4，2)中的位置。分别计算标号以“0”为开头的WK(4，2)的层次形全连通的片上网络中的4个基本单元与不是自己所在的另外三个WK(4，2)之间的通信带宽要求。把通信带宽要求最大的基本单元放到位置最近的位置上，假如前面的计算得到基本单元(000，001，002，003)和标号以“2”为开头的WK(4，2)的通信带宽要求最大，则把原来基本单元(000，001，002，003)上的核放到基本单元(020，021，022，023).接着分别调整通信带宽要求第二和第三大的基本单元的位置来缩短通信距离，最后把通信带宽要求最小的核放到基本单元(000，001，002，003).重复前面的过程，分别调整另外三个WK(4，2)的层次形全连通的片上网络中的基本单元的位置。
第四步，在第三步的映射结果基础上，重复进行第三步的迭代计算过程，直到确定了每个核在片上网络上的映射位置
在每个WK(4，2)的层次形全连通的片上网络中，计算每个核与不是自己所在的另外三个基本单元之间的通信带宽要求，按照第三步的过程来调整每个核的位置。
3)用遗传算法优化初始核映射：
用初始核映射作为遗传算法的种子，设定遗传算法的迭代次数，在迭代过程结束后产生最终的核映射结果。
遗传算法的所有种子都是前面产生的初始核映射，根据核映射结果的要求来设定遗传算法的迭代次数，在遗传算法运算结束时产生最终的核映射结果。