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基于集群结构的分级虚拟总线片上互连网络的设计及研究
随着芯片技术的不断发展以及计算机应用的广泛普及，人们对片上网络的研究和开发也越来越重视。尤其是从单核向多核转换，片上网络的结构也发生了变化。本文旨在研究基于集群结构的分级虚拟总线片上互连网络的设计及研究。
一、简介
片上网络（NoC）是一种基于硬件的互连网络，用于连接芯片内的所有处理器和I/O设备。随着处理器核心数量的不断增加，片上网络也必须不断演进以应对不同的架构需求。现在广泛采用的片上网络通常分为两种类型：点对点互连和总线互连。在点对点互连中，每个处理器或模块都有一个直接到达其他处理器或模块的网络连接。而在总线互连中，处理器或模块通过共享总线连接。总线互连具有简单的结构，不过随着节点数量的增加，总线的瓶颈问题会愈加明显。
为了有效解决随着节点数量增加而产生的通信瓶颈问题，本设计采用集群结构的分级虚拟总线片上互连网络。该方案采用了集群的概念，将节点分组为不同等级的集群，并在每个集群内部构建了虚拟总线。这种组合结构具有灵活性和可扩展性，可以同时提供点到点互连和总线互连的优点，具有很高的吞吐量和低延迟。
二、系统架构
本设计中的系统架构，主要包含以下几部分：
1.物理层硬件：每个处理器核心和IO设备都连接到通信网络中，通过路由器连接到集群交换机。每个节点都有唯一标识符和一组分配给其的优先级，以帮助路由器在网络中进行数据的传输。
2.路由器：处理器和IO设备之间的通信是通过路由器完成的。路由器负责转发数据，根据数据的目标地址选择传输路径。当网络利用率达到峰值时，路由器会使用流控制策略来防止拥塞。
3.集群交换机：集群交换机把整个网络分成几个不同的集群，每个集群形成一个虚拟总线。通信瞬间完成，内部处理在集群中进行，对外部的这个群体形成单一的接口。集群间通过跨集群路由器进行数据传输，这些跨集群路由器是整个互连网络的核心设备。由于跨集群路由器没有信息存储功能，因此必须保证消息传有序。
4.跨群路由器：负责将数据包从一个集群转移到另一个集群。这些路由器本质上是更强大的路由器，有更多的内存和计算能力。跨群路由器通过捕获到达网络并将它们发送到目标集群的数据包，履行了数据路由的功能。
三、数据传输
基于集群结构的分级虚拟总线片上互连网络提供有效的数据传输机制，以提高数据的吞吐量和降低延迟。具体的工作流程如下：
1.数据传输准备：处理器扫描出适合传输数据的缓存，然后向路由器提出要求。这样的需求可能涉及到存储器的操作，例如提取数据，将数据写入内存，或者在转移数据之前对其进行处理。处理器生成报文并将其传递给路由器。
2.报文路由：路由器接收报文后，会对报文进行分析，以找到最优路径，同时避免拥塞和死锁。
3.跨群路由：报文从一个集群移到另一个集群，需要经过跨群路由器处理。
4.传输结束：报文到达目标节点后，目标节点处理数据并用回复报文响应原始请求，同时将结果存储在缓存中。
本方案提供了很高的可扩展性和可靠性，其高吞吐量和低延迟使其在多核计算机中广泛应用。
四、总结
本设计成功地实现了基于集群结构的分级虚拟总线片上互连网络的构建。通过使用虚拟总线和集群结构，提高了处理器核心之间的通信效率，大大提高了数据传输速度，同时降低了延迟和拥堵情况。未来的研究可以进一步优化系统架构，提高路由器和跨集群路由器的处理效率，实现更高的吞吐量和更快的数据处理速度。