隨著半導體工藝技術(shù)的不斷革新，功耗、存儲、頻率等技術(shù)瓶頸問題越來越突出，單核處理器已經(jīng)很難繼續(xù)通過提高時鐘頻率的方式來提高自身的性能。單核處理器在提高主頻的同時也帶來了功耗和發(fā)熱量的問題。在這樣的背景下多核并行處理器應(yīng)運而生并且得到了快速發(fā)展。在這個過程中，設(shè)計的復雜度和核間通信的線延遲[1]成為了當前多核并行處理器設(shè)計的核心問題。多核并行處理器的各個核獨立執(zhí)行各自的程序，但各個核之間需要進行數(shù)據(jù)傳遞，路由器作為片上通信結(jié)構(gòu)的核心部件，其設(shè)計性能直接影響整個片上網(wǎng)絡(luò)的處理效率。本文基于多態(tài)并行處理器功耗和結(jié)構(gòu)復雜度要求設(shè)計了近鄰通信和遠程通信兩種通信機制，并對所設(shè)計的路由器進行了功能仿真和FPGA綜合。

1 多態(tài)并行處理機結(jié)構(gòu)

    本文提出的多態(tài)并行處理器的處理單元具有單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)和多指令多數(shù)據(jù)(MIMD)兩種運行模式[2-3]。該結(jié)構(gòu)兼有硬件的多線程管理和高效的數(shù)據(jù)通信機制。多態(tài)并行處理機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  多態(tài)并行處理機結(jié)構(gòu)框圖

每個處理器核[4]由算術(shù)邏輯運算器ALU、線程管理器控制器TM、路由器RU(Router Unit)、鄰接共享存儲(Mn、Ms、Mw、Me)、數(shù)據(jù)存儲D-men(Data Memory)和指令存儲I-men(Instruction Memory)組成，每個基本處理單元如圖2所示。

圖2  基本處理器單元結(jié)構(gòu)

2 設(shè)計與實現(xiàn)

    路由器的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。路由器可連接東、西、南、北4個方向的路由器和本地PE。

圖3  路由器整體結(jié)構(gòu)框圖

    (1)Input_ctrl模塊：分別接收來自北、南、西、東、本地5個方向的數(shù)據(jù)請求，該模塊將5個方向的數(shù)據(jù)打包成固定的格式存儲在FIFO中。

    (2)Xy_router模塊：該模塊采用XY路由算法實現(xiàn)，根據(jù)目標號和本地號判斷數(shù)據(jù)包的傳輸方向。

    (3)Arbiter模塊：該模塊采用簡單的先來先到仲裁和設(shè)定固定優(yōu)先級的仲裁機制實現(xiàn)。

    (4)Cross_bar模塊：通過選擇完成數(shù)據(jù)和輸出的交叉對應(yīng)，并根據(jù)輸出響應(yīng)情況發(fā)送讀數(shù)據(jù)包使能信號。

    (5)Output_ctrl模塊：該模塊完成東、西、南、北4個方向的輸出控制，以及本地輸出的數(shù)據(jù)包解包功能。

多態(tài)并行處理器的數(shù)據(jù)通信機制包括近鄰通信和遠程通信。

    (1)近鄰通信機制

    近鄰通信機制采用共享存儲的設(shè)計思想，每個處理單元(PE)都有北、南、西、東4個方向的共享存儲，每個方向有兩組存儲，每組存儲容量為8個字。近鄰通信機制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4  近鄰通信機制結(jié)構(gòu)框圖

    (2)遠程通信機制

    遠程通信機制的結(jié)構(gòu)如圖5所示。遠程通信完成遠程數(shù)據(jù)傳遞和函數(shù)調(diào)用兩種功能，遠程數(shù)據(jù)傳遞包括PE之間點對點傳送、PE與列控制器之間的數(shù)據(jù)傳遞兩種方式；遠程函數(shù)調(diào)用包括PE之間的遠程函數(shù)調(diào)用、PE與行（簇）控制器之間的遠程函數(shù)調(diào)用兩種方式。

圖5  遠程通信機制結(jié)構(gòu)框圖

    路由器處理的遠程數(shù)據(jù)傳輸請求包括：

    ①遠程處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，來自遠程處理器的MOVET信息包；

    ②遠程處理器請求發(fā)送數(shù)據(jù)，來自遠程處理器的MOVEF信息包；

    ③列控制器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，來自列控制器MVT信息包；

    ④遠程處理器發(fā)送多播請求，來自遠程處理器MVT信息包。

    路由器處理的遠程函數(shù)調(diào)用請求包括：

    ①遠程處理器發(fā)送函數(shù)調(diào)用請求，來自遠程處理器CALLR信息包；

    ②遠程處理器返回函數(shù)調(diào)用，來自遠程處理器RETR信息包；

    ③行控制器和簇控制器返回函數(shù)調(diào)用，來自行控制器RETC信息包。

路由器相關(guān)數(shù)據(jù)包格式如表1～表6所示。

3 仿真驗證及結(jié)果分析

    為了測試路由器數(shù)據(jù)通信機制，采用System Verilog搭建包含行控制器RC、列控制器CC、簇控制器CLC、處理單元PE、線程管理器TM、路由器RU的整體仿真平臺，使用ModelSim SE 10.1c進行仿真驗證。

    (1)近鄰通信測試方案：選用PE10作為本地，PE06、PE09、PE14、PE11作為鄰接，測試近鄰通信的數(shù)據(jù)通路，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6  近鄰通信仿真時序圖

從圖6可以看出，PE06的vld2south_ch0有效，PE09的vld2west_ch0有效，PE14的vld2north_ch0有效，PE11的vld2east_ch0有效，表明與PE10相鄰的4個PE分別送了一個數(shù)據(jù)給PE10進行運算，PE10執(zhí)行乘法運算，相乘的結(jié)果39和609分別寫回至地址20和22，近鄰通信的功能正確。

    (2)遠程通信測試方案：選用PE00作為本地，測試調(diào)用遠程PE10函數(shù)執(zhí)行的數(shù)據(jù)通路，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7  遠程通信仿真時序圖

從圖7可以看出，本地PE00發(fā)出CALLR遠程函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)包請求給PE10，當PE10執(zhí)行完后返回給本地PE00一個RETR數(shù)據(jù)包。圖中只給出了CALLR數(shù)據(jù)包通路，CALLR/RETR數(shù)據(jù)通路正常。

綜上所述，路由器的近鄰通信和遠程通信的數(shù)據(jù)通路是正確的，達到了預期的功能要求。

4 路由器性能分析

    在Xilinx ISE14.4中選用型號為Virtex7 XC7V2000T-

fht1761-2的芯片對路由器進行綜合。FPGA綜合結(jié)果表明，本文設(shè)計的5路32 bit數(shù)據(jù)寬度的路由器綜合頻率為314.287 MHz，高于參考文獻[5]中提出的5路16 bit數(shù)據(jù)寬度的路由器頻率128.8 MHz和參考文獻[6]提出的4路16 bit數(shù)據(jù)寬度的路由器頻率309.02 MHz。綜合報告如下：

Timing Summary:

Speed Grade: -2

Minimum period：3.182ns(Maximum Frequency: 314.287 MHz)

Minimum input arrival time before clock: 2.409 ns

Maximum output required time after clock: 1.126 ns

Maximum combinational path delay: 0.816 ns

    圖8所示給出了路由器在FPGA上的具體資源消耗狀況以及資源利用率。綜上所述，本文所設(shè)計的路由器具有速度和面積上的優(yōu)勢。

圖8  FPGA資源利用率

    本文提出了一種適用于多態(tài)并行處理機的數(shù)據(jù)通信和路由器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，完成了ModelSim軟件功能仿真、Xilinx ISE14.4的綜合，并在Virtex7 XC7V2000Tfht1761-2開發(fā)板中實現(xiàn)了驗證。該設(shè)計結(jié)合并行處理機的需求設(shè)計了近鄰通信和遠程通信兩種通信機制，提高了整個并行處理機的性能和資源利用率。

參考文獻

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[2] 李濤，肖靈芝.面向圖形和圖像處理的輕核陣列機結(jié)構(gòu)[J].西安郵電學院學報，2012，17(3)：43-46.

[3] 蒲林.多態(tài)并行處理器中的SIMD控制器設(shè)計與實現(xiàn)[J].  電子技術(shù)應(yīng)用，2013，33(11)：53-59.

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[5] 周東紅.基于3x3NoC的路由器設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)性能分析[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[6] 林世俊，張凡，金德鵬.分布式同步的GALS片上網(wǎng)絡(luò)及 其接口設(shè)計[J].清華大學學報，2008，48(1)：32-38.

                                                                                                                                 (收稿日期：2014-05-10)  

作者簡介：

海虎，男，1988年生，碩士，主要研究方向：專用集成電路設(shè)計與系統(tǒng)集成。

李濤，男，1954年生，博士，教授，主要研究方向：計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機圖形學。

楊婷，女，1989年生，碩士，主要研究方向：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與VLSI。