多線程網(wǎng)絡(luò)處理器分布式內(nèi)核結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)信息傳輸能力的迅猛增長和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)復(fù)雜多樣化的需求導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)處理器的出現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)處理器(NetworkProcessor，簡稱NP)結(jié)合了ASIC的高性能和通用CPU高可編程性兩方面的優(yōu)點(diǎn)，是推動下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一項(xiàng)核心技術(shù)。如何提升網(wǎng)絡(luò)處理器的性能以滿足主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息處理能力要求是網(wǎng)絡(luò)處理器需要解決的一個關(guān)鍵問題。 本文受國家“十五”預(yù)研課題(專題編號：41308010307)和國家863SOC課題(編號：2005AA

2、lZ1196)的資助，著力對高性能網(wǎng)絡(luò)處理器的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1.參與完成了具有完全自主版權(quán)的片上系統(tǒng)“龍騰S1”的總體方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。龍騰S1已在SMIC0.18um工藝庫上投片成功，整個SOC的晶體管數(shù)目為400萬。又完成了“龍騰”S2的總體方案設(shè)計(jì)；在“龍騰”S2的總體方案設(shè)計(jì)中，完成了一個專門面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理的32位動態(tài)多線程處理器的設(shè)計(jì)。 2.提出了一個專門針對高速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處

3、理的線程級分布式處理結(jié)構(gòu)(ThreadLevelDistributedProcessing-TLDP)。TLDP是一個多微引擎多線程結(jié)構(gòu)，并支持在多個微引擎之間和每個微引擎內(nèi)多個線程之間的動態(tài)調(diào)度。通過基于硬件實(shí)現(xiàn)的動態(tài)調(diào)度方式實(shí)現(xiàn)了多微引擎多線程的并行處理模式對系統(tǒng)程序員的透明性，有效解決網(wǎng)絡(luò)處理器的編程復(fù)雜問題。 3.在多線程微引擎的研究中，提出了一種基于BGCG(BalancedinGroupandCyclicamongG

4、roups--BGCG)的動態(tài)多線程調(diào)度策略。隱藏了長時延操作，實(shí)現(xiàn)了零延時線程現(xiàn)場切換，無需分支預(yù)測等部件解決了微引擎的指令流水線停頓問題，提高了單個微引擎的資源利用率。單個微引擎的峰值轉(zhuǎn)發(fā)速率為每秒1785千個IPV4分組或1587千個IPV6分組。 4.在TLDP體系結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，提出了一個基于多分支索引和間接壓縮的高速路由查找與更新算法。實(shí)現(xiàn)了在每一個SRAM的訪問延時周期內(nèi)輸出一個路由查找結(jié)果，在兩次SRAM的讀寫

5、訪問延時下完成路由更新，有利于實(shí)現(xiàn)TLDP中的系統(tǒng)控制和同步處理。其綜合性能可優(yōu)于Stanford大學(xué)的Gupta等人提出的DIR機(jī)制和W.Degermark等人提出的SFT等機(jī)制。 5.對TLDP中多個微引擎間的全局線程調(diào)度策略進(jìn)行了研究。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理的應(yīng)用特征提出了一種自適應(yīng)負(fù)載均衡的全局動態(tài)線程分派與調(diào)度策略。實(shí)現(xiàn)了多個協(xié)議處理微引擎之間的實(shí)時負(fù)載均衡。達(dá)到了較高的分組吞吐率，經(jīng)進(jìn)一步仿真統(tǒng)計(jì)表明在TLDP全負(fù)荷運(yùn)行時