【IC】NoC设计入门 -- 路由器 (Router) 微架构

我们已经讲完了NoC的“宏观”理论（地图、导航、交通规则）。现在，我们要用“显微镜”来观察这个城市中最重要的单元——“智能十字路口”（路由器）——它内部是如何运转的。

我们来把这个“十字路口”拆开，看看每个“零件”是干什么的。

为了方便理解，我们假设这是一个Mesh（棋盘式）路网中的一个“十字路口”。它有5个入口和5个出口：

• 入口：东、南、西、北、本地 (Local，来自它所连接的CPU核)
• 出口：东、南、西、北、本地 (Local，去往它所连接的CPU核)

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典型路由器的微架构 (The 5 Key Components)

想象一下，你就是这个“十字路口”的总设计师。

1. 输入端口 (Input Ports)

• 比喻： 到达十字路口前的**“待转区”或“停车场”**。
• 作用： 这是“车队”（Flits）抵达路口后，第一个停靠的地方。
• 核心组件： FIFO (First-In, First-Out) 缓冲区。
  • 为什么必须有它？ “车队”A（来自北边）和“车队”B（来自西边）可能同时到达路口，并且都想去“东边”。“东边”的出口一次只能走一辆车。
  • 总得有一个“车队”需要排队等待。这个“待转区”(FIFO) 就是给它们排队用的。
  • 与流控的关系： 这就是我们上一节课讲的“信用流控”里的那个**“停车场”**！
    • 这个Input Port负责管理自己的FIFO。
    • 当它快满的时候，它就不会再给“上游”的路口发送“信用”(Credit)。
    • 当它空出一个位置时，它会给“上游”路口发送一个“信用”(Credit)。

2. 路由逻辑 (Routing Logic, RC)

• 比喻： 路口旁边的**“问询处”或“导航AI”**。
• 作用： 它只关心一个问题：“这列火车（车队）的下一站去哪？”
• 工作流程：
  1. 当一个**“火车头”(Head Flit)** 到达“待转区”(Input Port)时，它会被“复制”一份发给“问询处”(Routing Logic)。
  2. “问询处”查看“火车头”上的“目的地地址”。
  3. “问询处”执行我们学过的**“路由算法”**（比如 XY 路由）。
  4. 举例： 路口在(1,1)，“火车头”的目的地是(3,2)。“问询处”的AI（XY算法）计算后得出：“X(1) < X(3)，你必须去东边 (East)。”
  5. “问询处”把这个**“出口请求”（“我想去东！”）**发送给“仲裁器”。
• 注意： 这个“问询”动作只对“火车头”做一次。后面紧跟的“车身”(Body Flits) 和“车尾”(Tail Flit) 不需要再问路，它们会自动跟随“火车头”的路径。

3. 仲裁器 (Arbiter)

• 比喻： 十字路口中央的**“交通警察”**。
• 作用： 它的存在是为了**“解决冲突”**。
• 工作流程：
  • 场景： 在同一个时刻，“北边”的Input Port（在“问询处”的帮助下）举手：“我想去东！”；“西边”的Input Port也举手：“我也想去东！”
  • 冲突发生！ “东出口”只有一个，“交警”(Arbiter) 必须决定谁先走。
  • 仲裁算法： “交警”会使用一个公平的算法。最常见的叫**“轮询”(Round-Robin)**。
    • “上次是‘西’先走的，这次轮到‘北’了。”
    • “交警”向“北边”的Input Port**“授权”**（Grant）：“你走！”
    • 同时告诉“西边”的Input Port：“你再等一个周期。”

4. 交换矩阵 (Switch Fabric / Crossbar)

• 比喻： 路口中央的**“立交桥”或“扳道岔”系统**。
• 作用： 它是物理上的“连接通道”。它负责把“交警”批准的路径“接通”。
• 结构： 想象一个 $5\times 5$ 的“开关网格”（这就是 Crossbar，交叉开关）。
  • 它有5条“横向”的输入轨道（来自东、南、西、北、本地的Input Ports）。
  • 它有5条“纵向”的输出轨道（去往东、南、西、北、本地的Output Ports）。
• 工作流程：
  1. “交警”(Arbiter) 刚刚“授权”了：“北 → 东”。
  2. “扳道岔系统”(Crossbar) 收到指令，立刻把“北输入”轨道和“东输出”轨道在物理上接通。
  3. “北边”待转区的“火车头”（以及它后面的“车身”）现在可以“开”过这个Crossbar，冲向“东出口”了。
• 关键： Crossbar可以同时接通多条不冲突的路径。比如，在“北→东”接通的同时，它完全可以也接通“西→南”、“本地→北”。

5. 输出端口 (Output Ports)

• 比喻： 离开路口的**“加速匝道”**。
• 作用： 它就是连接到“下一个”路口的物理“街道”（Link）。
• 功能： 它的功能相对简单，主要是把从Crossbar“冲”过来的Flit，发送给“下游”路口的Input Port。
• （进阶：在某些设计中，Output Port也可能包含一个小型缓冲区，用来“暂存”Flit，以优化时序，但这对于初学者来说不是重点。）

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总结：一节“火车头” Flit 的完整旅程

我们把这五个组件串起来，看看一个“火车头”(Head Flit) 是如何“闯关”的：

1. 抵达： “火车头”从“北街道”抵达，进入“北输入端口 (Input Port)”的FIFO“停车场”。
2. 问路： “路由逻辑 (Routing Logic)”查看它的地址，决定它需要去“东出口”。
3. 申请： “北输入端口”向“仲裁器 (Arbiter)”举手：“我申请去‘东出口’！”
4. 排队： “仲裁器”发现“西输入端口”也在申请“东出口”，它使用“轮询”算法，决定让“北”先走。
5. 接通： “仲裁器”通知“交换矩阵 (Crossbar)”：“把‘北输入’和‘东输出’接通！”
6. 通过： “火车头”从FIFO中被“释放”，它“开”过Crossbar，从“东输出端口 (Output Port)”飞驰而出，奔向下一个“十字路口”。
7. 跟随： 紧随其后的“火车车身”(Body Flits) 到达“北输入端口”后，跳过第2步（不再问路），直接重复3-6步，沿着“火车头”开辟的路径前进。

这“五脏六腑”的协同工作，构成了一个高效的“智能十字路口”。