[发明专利]一种检测片上网络中死锁的方法

说明书

技术领域

本文涉及一种检测片上网络中死锁的方法。 

背景技术

超大规模集成电路（VLSI）技术继续遵循摩尔定律，单位面积可集成的晶体管数目以每18个月翻一番的速度迅速增长，可以说微处理器已经进入了超10亿支晶体管时代。但是由于近年来VLSI技术进入纳米级工艺时，继续缩小器件尺寸遇到了前所未有的阻力。为了高效利用片上各种资源，片上多处理器技术CMP（Chip Multi-Processor）逐渐流行起来。随着单片芯片内集成的核数的增加，芯片的可扩展性也受到了限制。传统处理器的片上互连机制多采用总线结构，系统硬件开销很低，但带宽较窄，在当前CMP中，随着处理器核心数目的增加，总线已经无法提供足够的带宽。总线的另一个问题是容易产生故障，一旦总线故障，整个CMP系统就会崩溃，容错性较差。当CMP技术广为应用后，传统的多处理器互连方式——计算机互连网络技术也相应的移植到了片上，成为片上网络（Network on Chip），简称NOC。片上网络相比总线提供了足够的带宽并比交叉开关拥有更好的扩展性与更少的硬件代价。但是设计片上网络需要考虑多个方面的问题，从网络模块设计实现角度来讲，由于信号在芯片内传输时，往往要经过数个功能部件，多个时钟周期，所以在CMP中片上互连已经同时主导了性能和功耗两个研究者最关心的方面，设计带宽充足，结构精巧的片上网络是提高处理器性能，减少处理器功耗，简化处理器设计复杂度不可忽视的重要研究点。此外随着片上集成的核数逐步增加，片上的结构更加复杂，组件数量的增加也造成了发生错误概率的增加，引起了片上平均失效时间MTFB（Mean Time Between Failures）的减少，尤其对于长时间进行密集型运算的系统来说，发生错误的概率会更高。所以CMP系统相对传统单核处理器更容易受到各种故障的威胁。片上网络的容错能力和处理器总体性能表现及正常工作能力密切相关。 

死锁问题同样出现在片上网络中，会导致网络性能的大幅下降，如果不对其进行专门的处理就会导致系统崩溃。当网络中的一组报文，由于申请其他报文占用而未释放的资源，就会进入等待状态而不能继续前进。如果由于这种等待占用的报文构成了一个循环，而造成所有的报文永远无法前进，就称这种情况为死锁。 

在网络中解决死锁问题对于维护网络的正常运行至关重要。目前解决死锁问题有三种策略，死锁预防，死锁避免和死锁恢复。在死锁预防策略中，网络资源以一种绝不会导致死锁的方式分配，多在数据传输之前，先保留所有传输所需的资源，然后再开始传输，当传输完全结束后，释放所有申请到的资源。死锁预防策略往往被认为太过保守，提前保留所有传输所需要的资源虽然解决了死锁问题，但是却会导致低下的网络资源利用率，事实证明，大多数被保留的网络资源在整个传输过程中都存在严重的闲置情况，无法被其他需要传输的数据所利用。死锁避免策略允许报文在网络中传输时动态的申请资源，当然这种申请只有在不会引起死锁的安全状态才会被应答。显然，在死锁避免策略中当报文通过后，会立即释放申请到的资源供其他报文使用而不必等到传输结束。相比死锁预防策略，死锁避免策略明显提高了网络资源的利用率。当然，如何保证网络始终运行在无死锁的安全状态并不是一个简单的问题，目前主流的做法是对网络的路由函数进行一些限制，删除那些可能导致不安全状态的路由选项，这样一来，如何尽量减少对路由的限制并避免死锁的发生就成了一个研究的方向。 

上述两种策略都会在死锁发生之前就将其产生的可能性消除，也就是说阻止死锁的出现。而死锁恢复策略则不同，不会对网络资源的申请进行任何限制，也不会在分配资源时进行额外的检查来防止死锁出现，而是放任死锁出现，然后对其进行恢复。所有死锁恢复策略均基于一个基本的假设，死锁发生的频率是很小的，两次死锁发生的间隔不能大于一次解锁过程所需要的时间，否则不停地死锁检测和解锁将会造成极大地性能下降。死锁恢复策略一般都会提供一种检测手段来检测死锁，一旦检测出死锁的存在，就会采取某种手段将其从网络中移除。死锁恢复策略需要搭配死锁检测机制来确定死锁的存在，由于硬件条件的限制，往往无法获得精确死锁检测所需要的全局信息，所以精确死锁检测往往被认为不可实现。传统的死锁检测方法一般都是基于启发式算法和本地信息的非精确算法，而这些非精确算法有着其局限性，限制了死锁恢复技术的应用。