论文导读：片上网络（NetworkonChip，简称NoC)，NoC是指在单芯片上集成大量的计算资源以及连接这些资源的片上通信网络，是实现于芯片中的微型网络，属于计算机网络，又与传统计算机网络有很大差异。拓扑结构是片上网络各模块连接的框架，决定网络的潜在最优性能，路由器结构的调度策略与流控机制决定数据包在网络中的传输效率，拓扑结构与路由器结构是片上网络设计最重要的两个部分。由于芯片上资源和面积的限制，原来并行计算中的拓扑以及对应的路由算法需要进行一些修正以满足现在片上网络的要求。
关键词：片上网络，拓扑结构，路由算法
0引言
片上网络（Net work on Chip，简称NoC)，NoC是指在单芯片上集成大量的计算资源以及连接这些资源的片上通信网络，是实现于芯片中的微型网络，属于计算机网络，又与传统计算机网络有很大差异。晶体管工艺集成度的快速提高引起了片上网络研究领域的兴起。片上网络提供模块化、可扩展的、高带宽低延时的片上互联结构，是单片多处理器以及其他片上系统实现片上通信的重要选择。
片上网络与传统计算机网络有很多相似之处，片上网络设计可以参照传统网络的设计方法与流程，但限于有限的片上资源，设计时要考虑更多的开销限制，因此其设计过程又与传统计算机网络有很多差异。发表论文。因此片上网络研究需要进行更加细致的权衡考虑，针对带宽、延时、功耗、面积等性能标准进行优化设计，为实现高性能片上系统提供高效的通信支持。拓扑结构是片上网络各模块连接的框架，决定网络的潜在最优性能，路由器结构的调度策略与流控机制决定数据包在网络中的传输效率，拓扑结构与路由器结构是片上网络设计最重要的两个部分。
片上网络拓扑结构研究是片上网络研究的一个重要的方向。早期的片上网络拓扑研究主要是借鉴并行计算中的互联拓扑。在并行计算中，每一个节点对应了一个处理器核；各个处理器核通过路由器相互连接形成了一个板级的计算网络。而在片上网络中，网络是芯片级的。由于芯片上资源和面积的限制，原来并行计算中的拓扑以及对应的路由算法需要进行一些修正以满足现在片上网络的要求。片上网络拓扑结构研究主要包括了网络拓扑以及路由算法两个方面。网络拓扑规定了片上网络中各个节点的连接方式；而路由算法表明了在所规定的网络拓扑中数据包的传递方式。本文探讨了片上网络拓扑及其相关内容，阐述了二维网络2DMesh、二维环绕2D Torus这两种经典的片上网络拓扑结构及其对应的路由算法。
1NoC拓扑结构简介
在NoC的定义中，狭义的NoC定义指的就是除了资源节点以外的通讯节点网络，包括交换开关、交换开关之间的连接方式以及NoC通讯的协议模型。简单的说，狭义的NoC就只是一个“网”，但是也必须具备完整的“网”的功能：如网络设备，通讯协议等。它体现了NoC中通讯节点是如何分布和连接的。由于系统需求、节点模式的尺寸和不同的位置，需要不同类型的拓扑结构。
自上个世纪90年代末片上网络的概念被提出以来，片上网络各方面的研究都在迅速进行中。片上网络的提出最早是借鉴并行计算机的互连网络，所以片上网络与并行计算机网络有很多的相同点。片上网络是一个芯片上的网络，特别是在路由算法方面，几乎所有的片上网络路由算法都在并行计算机网络中找得到它对应的算法。但是它们又有一些不同，主要表现在以下几个方面：
(1)片上路由器结构简单，不宜采用较复杂的路由算法：
由于面积所限，片上路由器都是由较简单的逻辑元件组成的。所以，片上网络所采用的路由算法通常都为较简单。而较复杂的路由算法，类似于并行机中的静态维数翻转自适应算法和动态维数翻转自适应算法，虽然可以取得较好的路由性能，但是由于片上网络的资源所限，一般都没有采用。
(2)片上网络缓存资源有限：
片上网络中缓存是最宝贵的资源。片上路由器的缓存通常都很小，过多的使用存储资源虽然能在很大程度上提高NoC性能，但是其面积和功率消耗会非常巨大。发表论文。因此，一般对缓存要求比较高的路由仲裁机制，也仅仅在理论分析时用到，而在实际设计时很少采用。
(3)片上网络的网络协议：
与并行机不同，片上网络中没有专门的协议处理机，所有的协议都必须由硬件处理，这就要求片上网络的网络协议不能太复杂。这样，许多在并行机中采用的较复杂协议，在片上网络中都不能使用。所以NoC中，通常要求路由算法能保证数据包完整、无损、有序的投递。可以看出，上面的三点差异都是由片上网络本身的特点造成的。正是由于片上网络与并行机网络存在这些差异，所以有必要单独的整理和总结片上网络中的拓扑结构及对应的路由算法。片上网络拓扑结构可以由以下两个方面来定义：网络拓扑和协议。拓扑主要包括节点的布局以及它们之间的互连；协议主要定义这些节点与链路是怎么工作的，这里主要是指路由技术。下面我们将说明片上网络的拓扑结构，并叙述针对不同拓扑的路由技术。
2片上网络拓扑结构
所谓的 NoC 拓扑结构就是指 NoC 中各个节点之间的相互连接方式。NoC 的拓扑在 NoC 体系结构中是十分重要的一个部分，它通常决定了片上网络中所采用的路由方式，仲裁算法以及 IP 资源的分布。因此这一部分是我们研究的一个重点内容。通常 NoC 拓扑结构可以分为两大类，一类是直接型网络拓扑，另一类是间接型网络拓扑。
2.1直接型网络
在直接网络中，各个网络节点通过直接链路相互互联在一起。常见的直接型拓扑包括网状拓扑（Mesh）、花托拓扑（Torus）以及超立方体结构等。基于目前的技术水平和应用需求情况，本论文以直接型拓扑结构为主要的研究对象。接下来将详细的介绍两种经典直接型拓扑结构：2D Mesh 结构、2D Torus结构。
2.1.1二维网状网络(2D Mesh)
二维网状网络是目前研究中最常用的拓扑结构。发表论文。其结构是每一个资源与一个通讯节点相连，而一个通讯节点与四个相邻的通讯节点和一个资源相连。通讯节点实现路由功能，并作为每个相邻的资源节点的网络接口。
图1 3×3的2D Mesh结构
2D Mesh结构作为一种最简单、最直观的拓扑结构，如图1。每个节点连接着一个资源和四个相邻的路由器，每个资源通过一个网络接口（NI）连接着一个路由器。其中的资源，可以是一个处理器核，内存，一个用户自定义硬件模块或者是其他任何可以插入插槽并且可以和网络接口相配的IP（intellectual property）模块。路由器与路由器之间，路由器与资源之间是由一对输入和输出通道连接。通道是由两条单向的点对点总线组成。
2D Mesh结构是目前在NoC中研究得最早的一种拓扑结构。它结构规则，简单易于实现，但是它边沿和顶点位置节点的相对闭塞性，会极大地影响网络性能。
在众多拓扑结构中，从特征参数来看，规则的2D Mesh结构并不是最优的，但是因为其结构简单、易于实现和良好的复用性，大多数的研究人员都选择2D Mesh作为研究对象。
 2.1.2环面网络结构(2D Torus)
图2 3×3的2D Torus结构
2D Torus结构可以看成是对2D Mesh的一种扩展，即在边界的节点上增加了一条长的环路。因此，网络中的所有节点的度为4，对于一个m×n的Torus网络，其中m、n为每个维度上的节点数，若m＝n则称之为规则的Torus。2D Torus拓扑在物理形式上与2D Mesh相似，但由于其存在很多的环路，所以在路由算法和路由仲裁方面都要复杂许多。但是2D Torus结构在实际的应用中范围比2D Mesh广很多，其性能也有很大的提高，由于2D Torus拓扑的各个路由节点都是规则的，每个路由节点的结构都一样，所以扩展性也要比2DMesh提高很多。因此，对2D Torus拓扑结构的研究，在今后的多处理器系统的具体应用中，有非常重要的意义。
2.2 间接型网络
在间接网络中，节点处理器通过一个(或更多)的中间开关节点相互连接。间接型拓扑包括蝶形拓扑、Banyan、Fat-Tree拓扑（如图3）等。
开关节点
节点处理器
图3 Fat-Tree拓扑
在间接网络中，节点处理器通过一个(或更多)的中间开关节点相互连接。在直接拓扑中的网络节点是直接相连的，而在间接拓扑中各个处理节点是通过中间节点相连，这时两者的最大区别。常见间接型拓扑包括蝶形拓扑、Banyan、Fat-Tree拓扑等。图 3 所示就是间接型拓扑中的 3 级Fat-Tree、Clos 和 Butterfly 结构。
间接型拓扑由于其复杂的网络拓扑以及路由算法，在目前的研究应用中使用的不多，我们主要以直接型网络拓扑作为我们的研究对像。在直接型网络拓扑中，研究最多、应用最广泛的是 Mesh 拓扑。此外，Torus拓扑以及 Hypercube 拓扑也因为其拓扑的规则性和相对简单的路由算法受到许多国内外研究机构的重视。
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