Unterstützung und Organisation von Quality-of-Service Techniken in Kommunikationsnetzwerken auf einem Chip (Network-on-Chip)

Fortgeschrittene Algorithmen der Informationsverarbeitung, wie z.B. neueste Multimedia- und Mobilfunkstandards, sowie die Notwendigkeit, mehrere Anwendungen gleichzeitig zu unterstützen, erfordern ständige Steigerungen der Leistungsfähigkeit von Chips. Multiprozessor Systeme auf einem Chip (MPSoC) verteilen die Aufgaben auf parallele Verarbeitungseinheiten, auf denen sie gleichzeitig nebeneinander abgearbeitet werden und somit die Applikation beschleunigen. Die effiziente Vernetzung dieser Verarbeitungseinheiten sowie von Speichern und I/O-Schnittstellen ist dabei ein große Herausforderung, die von paketvermittelten Netzwerken auf einem Chip (NoC) bewältigt werden sollen. Sie zerteilen lange Verbindungsdrähte, indem sie Router einfügen und die Daten als Pakete in das NoC speisen. Dies verringert den Verdrahtungsaufwand, erhöht die Taktfrequenz, Bandbreite sowie Skalierbarkeit und erlaubt parallele Datentransfers.

Reine paketvermittelte Netze können aber keine Garantien bezüglich Latenz, Durchsatz und Jitter der Datentransfers geben, die aber für zahlreiche Anwendungen notwendig sind. Diese Applikationen haben Echtzeitanforderungen, die beim Scheduling der Aufgaben auf die Prozessoren wie auch bei den Datentransfers in Form von Quality-of-Service (QoS) unterstützt werden müssen. Daher ist eine Kombination aus paket- und leitungsvermittelten Netzen notwendig. Auf der Basis von Paketvermittlung müssen im NoC spezielle Routen reserviert werden können, über die der Verkehr mit Bandbreite-, Latenz- und Jitter-Garantien transportiert werden kann.

Die wesentliche Herausforderung ist heute, diese QoS Ressourcen des NoCs in Abhängigkeit von den auf dem Chip ausgeführten Applikationen zu finden und zu reservieren. Dieser Aufgabe widmet sich diese Arbeit. Ausgehend von einem dynamischen, zur Laufzeit ausgeführten und auf Tasks basierendem Scheduling Verfahren, stellen wir Methoden vor, wie auch die QoS Ressourcen zur Laufzeit in nur ein paar Dutzend Takten und weniger gefunden und allokiert werden können. Wir analysieren verschiedene zentralisierte Allokationsmechanismen, bei denen eine Einheit im MPSoC die Kontrolle über die QoS-Ressourcen des NoCs hat, und stellen sie verteilten Varianten gegenüber, bei denen das NoC selbst für diesen Allokationsprozess genutzt wird. Dabei zeigte sich, dass die zentralisierten Verfahren in den meisten Verkehrsszenarios einen Kosten-Nutzen-Vorteil gegenüber den verteilten Verfahren aufweisen. Sie haben einen niedrigeren Flächenbedarf und offenbarten in den meisten Fällen auch eine bessere Leistungsfähigkeit. Mit diesen Ergebnissen können MPSoCs entwickelt werden, die weiche Echtzeitfähigkeit für Applikationen nicht nur beim Scheduling sondern auch bei den Datentransfers im MPSoC unterstützen.