基于電壓島的動(dòng)態(tài)電壓頻率縮放DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)技術(shù)能夠大幅度地降低片上網(wǎng)絡(luò)NoC(Network on Chip)的能耗,從而受到廣泛關(guān)注[1]。在基于電壓島的NoC上,，電壓和頻率的改變以整個(gè)電壓島為單位,，DVFS設(shè)計(jì)需要全面考慮電壓島內(nèi)所有的IP核。與針對(duì)單個(gè)IP核的DVFS控制算法相比,基于電壓島的DVFS控制算法需要考慮的因素更多,，設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜,。

    目前,針對(duì)基于電壓島的DVFS控制算法的研究并不多。為了應(yīng)對(duì)工作負(fù)載的快速變化,，參考文獻(xiàn)[2]提出一種基于全局電壓島輸入隊(duì)列使用率的反饋控制算法,。該算法使用反饋控制，較好地應(yīng)對(duì)了工作負(fù)載的變化,。而參考文獻(xiàn)[3]指出參考文獻(xiàn)[2]的控制算法邏輯資源消耗過(guò)高,，缺乏全局控制，在參考文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上提出CF-g反饋控制算法,，該算法利用片上的g個(gè)輸入隊(duì)列,實(shí)現(xiàn)了電壓島簡(jiǎn)單,、高效的工作電壓控制，達(dá)到了資源和效率的平衡,，但是該算法并沒(méi)有大幅度降低片上邏輯資源的開(kāi)銷,。同時(shí)，參考文獻(xiàn)[2]和參考文獻(xiàn)[3]的算法存在的共同問(wèn)題是只能控制電壓島的一個(gè)輸入隊(duì)列,，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差,。
    針對(duì)上述問(wèn)題,，本文依據(jù)參考文獻(xiàn)[4]提出的輸入隊(duì)列包到達(dá)模型提出一種基于島間隊(duì)列特征的DVFS控制算法。該算法使用電壓島的所有輸入/輸出隊(duì)列參與電壓島的電壓/頻率控制,，提高了片上通信的穩(wěn)定性,，引入島間隊(duì)列使用率和增長(zhǎng)率進(jìn)行負(fù)載預(yù)測(cè)，提高了算法的效率,。
1 算法設(shè)計(jì)
1.1 電壓島間隊(duì)列使用率的數(shù)學(xué)模型
    在基于電壓島的NoC上,，電壓島間的每個(gè)鏈路兩端各有一個(gè)緩存隊(duì)列，如圖1所示,，可將這種緩存隊(duì)列簡(jiǎn)稱為島間隊(duì)列[4],。電壓島VFI1是隊(duì)列q的輸入電壓島，電壓島VFI2是隊(duì)列q的輸出電壓島;相應(yīng)地,，隊(duì)列q是電壓島VFI1的輸出隊(duì)列,，也是電壓島VFI2的輸入隊(duì)列。設(shè)隊(duì)列q的平均包到達(dá)速率為f1λ,，包服務(wù)速率為f2 μ，f1和f2是第k個(gè)控制周期內(nèi)(即[(k-1)T,，kT))兩個(gè)電壓島的頻率,，隊(duì)列q的使用率q(k)∈[0,1]可表示為：
　　

    島間隊(duì)列增長(zhǎng)率直接指示了當(dāng)前隊(duì)列使用率的變化：當(dāng)p(k)>0時(shí)，增長(zhǎng)率為正,，這時(shí)使用率q(k)增加,，即隊(duì)列中待處理的數(shù)據(jù)包增加；當(dāng)p(k)<0時(shí),，使用率負(fù)增長(zhǎng),，此時(shí)的使用率減小，即隊(duì)列中待處理的數(shù)據(jù)包減少,；當(dāng)p(k)=0時(shí),，表示當(dāng)前隊(duì)列使用率不變，該隊(duì)列處于平衡狀態(tài),。
1.2 算法思想描述
    本文將電壓島的頻率和電壓劃分為幾個(gè)離散的等級(jí),，每次調(diào)整將增加或者降低一個(gè)等級(jí)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工作負(fù)載的預(yù)測(cè),，引入島間隊(duì)列增長(zhǎng)率,。另外，島間隊(duì)列使用率準(zhǔn)確描述了當(dāng)前隊(duì)列的使用情況,，指示了當(dāng)前的片上通信狀況,。本算法綜合兩者的信息得到當(dāng)前島間隊(duì)列對(duì)電壓島的頻率需求（升頻、降頻）,。
    針對(duì)當(dāng)前的控制算法無(wú)法達(dá)到控制所有島間隊(duì)列的問(wèn)題,，通過(guò)全面考慮電壓島的輸入,、輸出隊(duì)列對(duì)電壓島工作頻率的需求，綜合全局信息來(lái)配置電壓島的電壓和頻率,。在保證通信穩(wěn)定的前提下盡量降低能耗,，對(duì)于增頻請(qǐng)求和降頻請(qǐng)求，依據(jù)保證系統(tǒng)通信穩(wěn)定的原則,，優(yōu)先處理增頻請(qǐng)求,。
    本算法采用全局控制方式，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。設(shè)控制周期為T,，在第k個(gè)控制周期開(kāi)始時(shí)，對(duì)各個(gè)電壓島的頻率和島間隊(duì)列的使用率進(jìn)行采樣,；然后將采樣信息輸入全局電壓/頻率控制模塊進(jìn)行運(yùn)算,得到當(dāng)前的島間隊(duì)列增長(zhǎng)率,；之后，由全局電壓/頻率控制模塊依據(jù)DVFS控制算法得出各個(gè)電壓島在下個(gè)周期的電壓和頻率,；最后,，由電壓/頻率生成模塊對(duì)電壓和頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電壓和頻率轉(zhuǎn)換完成后,，進(jìn)入第k+1個(gè)周期,。

    電壓島的電壓和頻率采用離散值，算法每次將電壓島的工作頻率升高或者降低一個(gè)等級(jí),。
1.3 使用島間隊(duì)列的DVFS控制算法原理
    對(duì)于由J個(gè)電壓島組成的NoC,，假設(shè)電壓島i有m個(gè)輸入/輸出隊(duì)列。本算法根據(jù)電壓島的輸入/輸出隊(duì)列的使用率q(k)和增長(zhǎng)率p(k)來(lái)控制電壓島的工作電壓,以實(shí)現(xiàn)DVFS控制,?？紤]到輸入/輸出隊(duì)列對(duì)電壓島工作頻率的不同需求，將兩者分開(kāi)考慮,，其對(duì)應(yīng)的控制請(qǐng)求可分為輸入隊(duì)列請(qǐng)求和輸出隊(duì)列請(qǐng)求,。
    本算法通過(guò)綜合q(k)和p(k)的信息控制電壓島的頻率，使p(k)在區(qū)間[0,，1)之內(nèi)變化,。其原理如下：
　 在圖 1中，對(duì)于隊(duì)列q,，當(dāng)p(k)>0時(shí),，若保持電壓島VFI1的頻率f1和電壓島VFI2的頻率f2不變,則隊(duì)列的使用率q(k)會(huì)持續(xù)增加。這種情況下,，當(dāng)q(k)較小時(shí),，無(wú)需考慮降低頻率f2或者增加頻率f1；當(dāng)q(k)較大時(shí),，為避免隊(duì)列擁塞(即防止q(k)=1),，為其設(shè)置門限值ThH,， 當(dāng)q(k)到達(dá)門限值ThH時(shí)，可以降低輸入電壓島的頻率f1或者增加輸出電壓島的頻率f2,；當(dāng)使用率q(k)很小時(shí),，若降低隊(duì)列的輸出電壓島頻率f2，則增長(zhǎng)率p(k)>0變大,，加快了q(k)增加的速率,。為了解決此時(shí)能否降低f2的問(wèn)題，設(shè)置了q(k)的可降頻門限ThD,。當(dāng)p(k)>0,，q(k)<ThD時(shí),可以降低隊(duì)列的輸出電壓島的頻率；當(dāng)增長(zhǎng)率p(k)>0時(shí),，如果隊(duì)列的輸入電壓島的頻率f1將在下一個(gè)控制周期被提高,，按照式(2)推斷增長(zhǎng)率p(k)會(huì)變大，此時(shí)有必要降低輸出電壓島的頻率f2的門限,，令這個(gè)門限值為ThI,本文稱之為輸出電壓島從動(dòng)升頻門限,。
    當(dāng)p(k)<0時(shí)，若保持f1和f2不變,，隊(duì)列的使用率q(k)會(huì)持續(xù)減小,，此時(shí)不必考慮q(k)過(guò)高而導(dǎo)致隊(duì)列擁塞；當(dāng)使用率q(k)過(guò)低時(shí),，可以增加輸入電壓島的頻率f1或者降低輸出電壓島的頻率f2。為了降低能耗,，本算法不主動(dòng)增加輸入電壓島的頻率,， 這時(shí)設(shè)置隊(duì)列使用率q(k)的門限ThL，當(dāng)q(k)到達(dá)此門限值時(shí),，降低輸出電壓島的頻率,；若輸出電壓島的頻率f2降低，則增長(zhǎng)率變大,，使用率有可能會(huì)增加,，此時(shí)，若q(k)&isin;[ThH,1],，則不能降低輸出電壓島的頻率f2,；若q(k)&isin;[ThL,ThH），則可以降低輸出電壓島頻率f2,。
    當(dāng)p(k)=0時(shí),，隊(duì)列的輸入輸出達(dá)到平衡，隊(duì)列對(duì)電壓島的頻率沒(méi)有升降請(qǐng)求,。
    本算法的控制方法如表1,、表2所示,。

    從圖3可以看出，本算法的總能耗和CF-g算法相近,。在五種應(yīng)用中,，相比于NOP，CF-g算法平均降低了16.19%的總能耗,，本文算法平均降低了19.85%的總能耗,。本文算法沒(méi)有獲得較大的能耗降低空間，這是由于算法采用了全局控制機(jī)制,，增加了可控的島間隊(duì)列的數(shù)量,，犧牲了一定的能耗降低空間。從圖4的EDP對(duì)比中可以看出,，本文算法的能耗性能大大提升,，相比于NOP，本算法獲得了21.82%的性能提高,。相比于CF算法,，本文算法也有6.14%的性能提高。

    本文提出了一種使用島間隊(duì)列的DVFS控制算法,，利用島間隊(duì)列增長(zhǎng)率和使用率兩個(gè)參數(shù)來(lái)控制電壓島的電壓/頻率變化,。仿真結(jié)果表明，本算法保障了片上通信的穩(wěn)定性,，明顯提高了系統(tǒng)吞吐量,。
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