Luận văn thạc sĩ về cơ chế điều khiển giao tiếp trong mạng trên chip tái cấu hình

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu cơ chế điều khiển trong mạng tái cấu trúc kiến trúc chip, ứng dụng công nghệ điện tử viễn thông.

Chuyên ngành

Electronics Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

master’s thesis

2015

73
1
0

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

1. CHƯƠNG 1: NETWORK-ON-CHIP

1.1. Basic components of a NoC

1.2. Network topology

1.3. Communication protocol

1.4. Routing modes

2. CHƯƠNG 2: PROPOSED COMMUNICATION CONTROL MECHANISM IN RECONFIGURABLE NOCS ARCHITECTURES

2.1. Target reconfigurable NoC architectures

2.2. Proposed Communication control mechanism

2.3. Tracking and replacing routing information mechanism

3. CHƯƠNG 3: ARCHITECTURE OF MODIFIED ROUTER AND NETWORK INTERFACE

3.1. Modified architecture for reconfigurable network router

4. CHƯƠNG 4: VERIFICATION, IMPLEMENTATION AND EVALUATION

4.1. Verifying basic function of NI

4.2. Verifying the mechanism of tracking and replacing routing information

AUTHORSHIP

TABLE OF CONTENTS

List of Figures

List of Tables

List of Abbreviations

INTRODUCTION

CONCLUSION

Tóm tắt

I. Tổng quan về cơ chế điều khiển giao tiếp trong mạng trên chip tái cấu hình

Cơ chế điều khiển giao tiếp trong kiến trúc mạng trên chip tái cấu hình (NoC) đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền thông. Mạng trên chip (NoC) là một giải pháp hiện đại cho các hệ thống tích hợp phức tạp, cho phép kết nối nhiều lõi xử lý và tài nguyên khác nhau. Việc hiểu rõ về cơ chế này giúp cải thiện khả năng giao tiếp và quản lý tài nguyên mạng, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

1.1. Định nghĩa và phân loại cơ chế điều khiển giao tiếp

Cơ chế điều khiển giao tiếp (CCM) trong NoC có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm điều khiển theo nút và điều khiển đầu cuối. Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của mạng.

1.2. Tầm quan trọng của cơ chế điều khiển trong mạng tái cấu hình

Cơ chế điều khiển giao tiếp là yếu tố quyết định trong việc đảm bảo tính linh hoạt và khả năng thích ứng của mạng tái cấu hình. Nó cho phép mạng tự động điều chỉnh theo các điều kiện thay đổi, từ đó tối ưu hóa hiệu suất truyền thông.

II. Vấn đề và thách thức trong giao tiếp mạng trên chip tái cấu hình

Mặc dù mạng trên chip tái cấu hình mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như độ trễ gói tin, tắc nghẽn mạng và quản lý tài nguyên là những yếu tố cần được giải quyết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.1. Độ trễ và tắc nghẽn trong mạng NoC

Độ trễ gói tin là một trong những vấn đề lớn nhất trong mạng NoC. Tắc nghẽn có thể xảy ra khi nhiều gói tin cố gắng sử dụng cùng một tài nguyên mạng, dẫn đến giảm hiệu suất truyền thông.

2.2. Quản lý tài nguyên trong mạng tái cấu hình

Quản lý tài nguyên hiệu quả là rất quan trọng trong mạng tái cấu hình. Việc phân bổ tài nguyên không hợp lý có thể dẫn đến lãng phí và giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống.

III. Phương pháp cải thiện cơ chế điều khiển giao tiếp trong NoC

Để giải quyết các vấn đề trong giao tiếp mạng trên chip tái cấu hình, nhiều phương pháp đã được đề xuất. Những phương pháp này tập trung vào việc tối ưu hóa độ trễ, cải thiện khả năng quản lý tài nguyên và tăng cường tính linh hoạt của mạng.

3.1. Cải tiến thuật toán định tuyến

Thuật toán định tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc giảm độ trễ và tắc nghẽn. Các thuật toán mới có thể tối ưu hóa đường đi của gói tin, từ đó cải thiện hiệu suất truyền thông.

3.2. Sử dụng công nghệ điều khiển lưu lượng

Công nghệ điều khiển lưu lượng giúp quản lý và phân bổ tài nguyên mạng một cách hiệu quả. Điều này không chỉ giảm thiểu tắc nghẽn mà còn tối ưu hóa việc sử dụng băng thông.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cơ chế điều khiển giao tiếp trong NoC

Cơ chế điều khiển giao tiếp trong mạng trên chip tái cấu hình đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ viễn thông đến điện toán đám mây. Những ứng dụng này cho thấy tính linh hoạt và hiệu quả của NoC trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các hệ thống hiện đại.

4.1. Ứng dụng trong viễn thông

Trong lĩnh vực viễn thông, NoC giúp cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu và giảm độ trễ, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ cho người dùng.

4.2. Ứng dụng trong điện toán đám mây

NoC cung cấp một nền tảng linh hoạt cho các dịch vụ điện toán đám mây, cho phép tối ưu hóa tài nguyên và cải thiện hiệu suất hệ thống.

V. Kết luận và tương lai của cơ chế điều khiển giao tiếp trong NoC

Cơ chế điều khiển giao tiếp trong mạng trên chip tái cấu hình đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều nghiên cứu và cải tiến mới. Tương lai của NoC hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp sáng tạo cho các thách thức trong giao tiếp mạng.

5.1. Xu hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong lĩnh vực NoC sẽ tiếp tục tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của mạng, đồng thời phát triển các công nghệ mới để giải quyết các vấn đề hiện tại.

5.2. Tác động của công nghệ mới đến NoC

Sự phát triển của các công nghệ như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể mang lại những cải tiến đáng kể cho cơ chế điều khiển giao tiếp trong NoC, mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và ứng dụng.

22/07/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HANOI UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY THI-THUY NGUYEN COMMUNICATION CONTROL MECHANISM IN RECONFIGURABLE NETWORK-ON-CHIPS ARCHITECTURES MASTER’S THESIS OF ELECTRONICS – TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGY Hanoi - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HANOI UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY THI-THUY NGUYEN COMMUNICATION CONTROL MECHANISM IN RECONFIGURABLE NETWORK-ON-CHIPS ARCHITECTURES Branch: Electronics – Telecommunications Technology Major: Electronics Engineering Code: 60520203 MASTER’S THESIS OF ELECTRONICS – TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGY Supervisor: Assoc. Xuan-Tu Tran Hanoi - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1 AUTHORSHIP “I hereby declare that the work contained in this thesis is of my own and has not been previously submitted for a degree or diploma at this or any other higher education institution. To the best of my knowledge and belief, the thesis contains no materials previously published or written by another person except where due reference or acknowledgement is made.” Signature:……………………………………………… LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 TABLE OF CONTENTS AUTHORSHIP. 1 TABLE OF CONTENTS.

2 List of Figures. 5 List of Tables. 8 List of Abbreviations. 12 NETWORK-ON-CHIP.

Basic components of a NoC. Quality of the service. Communication mechanism in NoC. Definition and classification.

30 PROPOSED COMMUNICATION CONTROL MECHANISM IN RECONFIGURABLE NOCS ARCHITECTURES. Target reconfigurable NoC architectures. 30 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Proposed Communication control mechanism.

Tracking and replacing routing information mechanism. 41 ARCHITECTURE OF MODIFIED ROUTER AND NETWORK INTERFACE. Modified architecture for reconfigurable network router. 54 VERIFICATION, IMPLEMENTATION AND EVALUATION.

Verifying basic function of NI. Verifying the mechanism of tracking and replacing routing information. 68 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 70 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 List of Figures Figure 1-1: An example architecture of a 2D mesh.

13 Figure 1-2: Popular NoC topologies: (a) ring and chordal ring; (b) fat-tree; butterfly fat-tree; (d) 2D-mesh; (e) 2D-torus; (f) 2D folded torus [5]. 14 Figure 1-3: Three frequent routing modes of NoC: (a) Store And Forward; (b) Virtual Cut Though; (c) Wormhole [5]. 16 Figure 1-4: Four popular buffering strategies of NoC: (a) Input queuing;(b) Output queuing;(c) Virtual output queuing;(d)Virtual channel priority input queuing [5]. 18 Figure 1-5: Deadlock example [5].

20 Figure 1-6: Separated buffer virtual channels are used to solve the deadlock problem. The data of one VC can use the physical link when the others one in the same port is stalled[4]. 20 Figure 1-7: An example of livelock. The ouside routers can’t reach the inside once because they are in deadlock [5].

21 Figure 1-8: The classification of NOC’s flow cotrol mechanisms. 22 Figure 1-9: Connection implementation of end-to-end flow control [13]. 24 Figure 1-10: NoC architecture with injection level flow control strategy [14]. 25 Figure 1-11: Router architecture [15].

26 Figure 1-12: Proposed idea of T-error [12]. 27 Figure 1-13: Logic level of T-error [12]. 27 Figure 2-1: RNOC router architecture [2]. 32 Figure 2-3: The prohibited router appears just before or just after the corner of the routing path [2].

33 Figure 2-4: Block diagram of proposed communicaiton mechanism. 34 Figure 2-5: Router-to-router/NI interface and send/accept protocol [23]. 35 Figure 2-6: A flow diagram of the tracking and replacing routing information mechansim. 37 Figure 2-7: Structure of header flit.

38 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Figure 2-8: Structue of body flit of a normal packet. 39 Figure 2-9: A structue of body flit of a special packet. 39 Figure 2-10: A structue of tail flit. 39 Figure 3-1: Micro-architecture of INPUT PORT of RNOC’s router [2].

42 Figure 3-2: Modifying the VC_Demux of the North input port. 43 Figure 3-3: Modifying the VC_Demux of the East input port. 44 Figure 3-4: Modifying the VC_Demux of the South input port. 44 Figure 3-5: Modifying the VC_Demux of the West input port.

44 Figure 3-6 : A architecture of NI. 45 Figure 3-7: C2R_buffer module. 46 Figure 3-8: C2R_controller module. 47 Figure 3-9: Flitizer module.

48 Figure 3-10: Routing table module. 49 Figure 3-11: Updating path module. 50 Figure 3-12: R2C_Buffer module. 51 Figure 3-13: R2C_controller module.

52 Figure 3-14: De_flitizer module. 53 Figure 4-1 Testbench model. 55 Figure 4-2: Test case 1. 56 Figure 4-3: Simulation for tracking phase and processing phase in test case 1.

57 Figure 4-4: Simulation for replacing phase in test case 1. 57 Figure 4-5: Test case 2. 58 Figure 4-6 Simulation for tracking phase and processing phase in test case 2. 59 Figure 4-7: Simulation for replacing phase in test case 2.

59 Figure 4-8: Test case 3. 60 Figure 4-9: Simulation for tracking phase and processing phase in test case 3. 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Figure 4-10: Simulation for replacing phase in test case 3. 61 Figure 4-11: Timing information.

62 Figure 4-12: ASIC & VLSI design flow [24]. 70 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 List of Tables Table 2-1: Function and code for each type of flits. 38 Table 3-1: Codes for directions. 43 Table 3-2: Code for VC_Demux of each input port.

43 Table 3-3: Pin desciption of C2R_buffer module. 46 Table 3-4: Pin desciption of R2c_buffer module. 51 Table 4-1: Routing informaton in test case 1. 57 Table 4-2: Routing information in test case 2.

58 Table 4-3: Rouiting information in test case 3. 60 Table 4-4: Device Utilization Sumary (estimated values). 61 Table 4-5: Delay information. 63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 List of Abbreviations ASIC Application-Specific Integrated Circuit CCM Communication Control Mechanism FIFO First In First Out FPGA Field Programmable Gate Array IP Intellectual Property NoC Network on Chip QoS Quality of Service SAF Store -And-Forward SoC System on Chip VC Virtual Channel VCPIQ Virtual Channel Priority Queuing VCT Virtual Cut Through VHDL VHSIC Hardware Description Language VHSIC Very High Speed Integrated Circuit VOQ Virtual Output Queuing WH Wormhole LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 INTRODUCTION To meet the quickly increasing in demand of applications, more and more computing resources such as Central Processing Units, Digital Signal Processors, and particular Intellectual Property (IP) cores are added into a System-on-Chip (SoC).

Therefore, interconnection between these computing resources become a big challenge in SoC. Network-on-Chip (NoC) have recently emerged as a promising solution for communication in large SoCs. The NoC architecture provides a new method for connecting of different IP-cores through an effective, modular, and scalable network [1]. However, standard NoCs architectures seem not flexible enough to support dynamic environment where communication characteristics can strongly changing at run-time.

A new NoC design methodology called reconfigurable NoCs emerges an alternative solution to tackle current challenges. Reconfigurable NoCs have the ability to provide adaptive communication infrastructures and the flexible network protocols [1].Thanks to dynamically reconfiguring hardware ability, reconfigurable NoCs allow many hardware tasks to be mapped onto the same hardware platform. There are several proposed reconfigurable NoCs, and each architecture has a different method to make NoC reconfigurable. Depending on the characteristic and features of each reconfigurable NoC, communication infrastructures and communication protocol change adaptively after the reconfiguring process.

As be a part of the communication protocol, the communication control mechanisms (CCM) also need to be updated with a new environment to ensure the correct operation as well as the communication performance of the network. The RNoC [2] is a reconfigurable NoC platform developed at the key laboratory for Smart Integrated Systems (SIS lab), VNU University of Engineering and Technology. It provides a router architecture which can reconfigure the routing path when the being transmitted data face to prohibited node (i. However, the routing path reconfiguration process leads to an increase in packet delay.

In the other words, the process of reconfiguration lengthens the period the packet occupy communication resources and thus affect to network traffic. Therefore, we will propose a CCM for the RNoC platform to guarantee the lossless communication as well as reduce the packet delay of the network. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 In our CCM, both the node-to-node flow control and the end-to-end flow control are used to reach the target. While the node-to-node flow control ensures the lossless communication of RNoC, the end-to-end flow control is responsible for updating the CCM after reconfiguration process.

The main part of our end-to-end flow control is the tracking and replacing information mechanism. To implement our tracking and replacing information mechanism, the RNoC architecture will be modified to support the tracking phase while NI architecture is designed to implement the processing phase, replacing phase. Our NI design is modeled by using VHDL language. Then our NIs are plugged into a 4×4 mesh modified RNoC platform for simulating and verifying the operation of our CCM.

The simulation results show that our CCM helps NoC decrease about 23.5% to 50% in header-to-header delay, 0% to 50% in tail-to-tail delay and 5.7% in packet-to-packet delay. After the verification process, our NI architecture is synthesized to kit Virtex5 XC5VLX330 -2ff1760 using tools of Xilinx. The result of synthesis process gives that our design can operate at a maximum frequency of 294MHz. The thesis is organized into four chapters, the Introduction section and Conclusion section.

Chapter 1 will give an overview of the NoC and its basic concepts. Besides, the communication mechanism in NoC and reconfigurable NoCs are also reviewed in this chapter. Chapter 2 is about our proposed communication control mechanism for reconfigurable NoC architectures. Then, the modified architecture of RNoC router and our NI design are described in Chapter 3.

In Chapter 4, the method to simulate and verify our design will be explained. The implementation results and the evaluation are also given in chapter 4. Finally, conclusions section will summarize the work presented and give the future work which far related. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 NETWORK-ON-CHIP In this chapter, we will address on basic concepts of network-on-chip (NoC) paradigm.

Then the communication control mechanism will also be presented. Finally, some previous works will be reviewed and discussed to provide the state of the art of the research topic. Basic concepts Network on chip (NoC) is emerging as a revolutionary methodology in solving the bandwidth bottleneck of shared bus interconnection.In this section, to give a good overview of NoC, we will introduce main concepts of NoC paradigm. The network topology, communication mechanisms, routing modes, buffering strategies, routing algorithms, quality of service, flow control and data blocking are explained and analyzed.

After that, the state of the art about NoC will give the investigating trend which the topic of this thesis is clearer. Basic components of a NoC There are three fundamental components in a Network-on-chip: Routers, Network Interface (NI) or Network Adapter (NA) and links [3]. In NoC, routers connect to each other through links with a specific topology. An example architecture of a 2D mesh NoC example is shown in Figure 1-1.

Each router can communicate with an IP- core through a NI. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Figure 1-1: An example architecture of a 2D mesh.  Links: A communication link is a set of wires. The function of links is physically connecting routers in the network and actually implementing the communication [3].

 Router: the main function of a router is routing data from source to destination according to chosen protocol and routing strategy [4]. Architecture of router depend on many factors such as communication protocol, routing mode, routing algorithm, …  Network Interface (or Network Adapter): As each IP-core may have a distinct interface protocol with respect to the network, NoCs must include NIs which makes the logic connection between IP-cores and the routers [3]. Network topology Network topology of NoC defines how the network routers are interconnected by channels and is usually modeled by a graph [5].

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ