Garnet互连网络学习_gem5 garnet

一、路由器微体系结构

路由器执行传统的5级流水线（LT发生在路由器之间的连接上）：

BW：把Head/Body/Tail Flit写到某个端口的VCx（端口W、VC1）
RC：根据Head Flit中的src、des计算输入端口（路由器1的E端口是路由0的输出E端口）
VA：为Head Flit分配下一个路由器的输入端口（根据RC计算得到的下一跳路由器1）的虚拟通道。例如：路由器0的VA以RC计算的结果为输入（分配路由器1端口1VC通道）
SA：仲裁两种情况：①多个虚拟通道争用交叉开关的同一个输入端口；② 多个输入端口争用交叉开关的同一个输出端口
ST：路由器读取VC通道中的Flit，穿过Crossbar
LT：Flit沿着路由器之间的链路传输到下一个路由

二、Garnet源代码学习（持续更新）

 来自gem5官方文档Interconnection Network

1. 互连网络

首先可以根据默认网络配置，调用网络：

./build/NULL/gem5.debug configs/example/ruby_random_test.py \
--num-cpus=16 \
--num-dirs=16  \
--network=garnet2.0 \
--topology=Mesh_XY \
--mesh-rows=4
 
or
#注意，下面不是N*N拓扑，需要更改addr_range.hh Ruby.py源码之后，(re)build
./build/NULL/gem5.opt configs/example/garnet_synth_traffic.py \
--network=garnet \
--num-cpus=8 \
--num-dirs=8 \
--topology=Mesh_XY \
--mesh-rows=4 \
--sim-cycles=20000 \
--inj-vnet=0 \
--injectionrate=0.02 \
--synthetic=uniform_random

2. 拓扑结构

有Crossbar、CrossbarGarnet、Mesh_XY、Mesh_westfirst、MeshDirCorners_XY、Pt2Pt几种； --topology=XXX可调用该拓扑

在每个拓扑中，BasicLink.py传递链接参数：（这里面的Param起到连接的作用，目前不明白）
定义BasicLink参数：link_id、latency、bandwidth_factor、weight、supported_vnets

定义BasicExtLink参数（外部链路--控制器和路由器间是双向的）：ext_node、int_node、bandwidth_factor

定义BasicIntLink参数（内部链路--路由器之间是单向的）：src_node、dst_node、src_outport and dst_inport(只用于Garnet)、bandwidth_factor(只用于simple network)

BasicRouter.py传递路由参数：router_id、latency

3. 路由

基于表的路由Weight-based Table（default）：

src/mem/ruby/network/Topology.cc中默认路由算法，具有最少的链接遍历次数；

自定义路由算法（的调用）：

在src/mem/ruby/network/garnet/GarnetNetwork.py定义：

--routing_algorithm=0，1，2（0：Weight-based Table，1：XY，2：自定义）

Garnet提供支持实现自定义路由算法模块——src/mem/ruby/network/garnet/RoutingUnit.cc：：outportComputeXY（）

4. 流量控制和路由器微架构

Ruby支持两种网络模型：Simple、Garnet，权衡建模详细程度和仿真速度

相关文件：

• src/mem/ruby/network/Network.py
• src/mem/ruby/network/simple
• src/mem/ruby/network/simple/SimpleNetwork.py

1）config

simple网络模型在 Network.py 中使用通用网络参数：

• number_of_virtual_networks：虚拟网络的数量
• control_msg_size：控制消息的大小（字节）。 默认值为 8，Network.cc 中的m_data_msg_size设置为块大小data_msg_size（字节）+ control_msg_size

其他参数在simple/SimpleNetwork.py 中指定：

• buffer_size：default internal buffer size for links and routers; 0 indicates infinite buffering
• endpoint_bandwidth：bandwidth adjustment factor
• adaptive_routing：enable adaptive routing

2）Flow control

设计中采用了虚通道流量控制。每个VC可以容纳一个数据包。在设计中，VCs分为两类——控制类和数据类。每个网络中的缓存深度都可以通过GarnetNetwork.py独立控制。默认值为1-flit deep control VCs和4-flit deep data VCs。控制报文大小默认为1flit，数据报文大小默认为5flit

5.网路遍历（重点，但还没理清）

涉及代码：src/mem/ruby/network/garnet/

 CODE FLOW

NetworkInterface.cc::wakeup()

* 每个NI一端连接一个一致性协议控制器，另一端连接路由器
* 在vnet中从coherence protocol buffer接收消息，将其转换为网络数据包并发送到网络
* 此时Garnet添加了捕获网络跟踪的功能
* 从网络接收flits，提取协议消息并将其发送到适当的vnet中的一致性协议缓冲区
* 通过连接的路由器管理流量控制(即credits)
* NI消费flit/credit的输出被放在全局事件队列中，时间戳设置为下一个周期
* eventqueue调用consumer中的唤醒函数

NetworkLink.cc::wakeup()

* 从NI/router接收flits，并在m_latency周期延迟后发送到NI/router
* 每个链路的默认延迟值可以在命令行中设置(见configs/network/network.py)
* 每个链路的延迟时间可以在拓扑文件中被覆盖
* 链接的消费者(NI/router)放在全局事件队列中，在m_latency周期之后设置一个时间戳。
* eventqueue调用consumer中的wakeup函数

Router.cc::wakeup()

* 循环遍历所有的Inputunit并调用它们的wakeup()
* 循环遍历所有的Outputunit并调用它们的wakeup()
* 调用SwitchAllocator的wakeup()
* 调用CrossbarSwitch的wakeup()
* 路由器的唤醒函数在它的任何模块(InputUnit, OutputUnit, SwitchAllocator, CrossbarSwitch)有需要时（flit/credits）被调用

InputUnit.cc::wakeup()

* 如果上游路由器准备好，就从上游路由器读取输入flit
* 对于HEAD/HEAD_TAIL flits，执行路由计算，并在VC中更新路由。
* 缓冲(m_latency - 1)周期的flits，并标记为有效，直到SwitchAllocation开始
* 每个路由器的默认延迟可以在命令行中设置(见configs/network/ network .py)
* 每个路由器的延迟(即，num个流水线阶段)可以在topology中设置

OutputUnit.cc::wakeup()

* 如果下游路由器准备好，就从下游路由器读取输入credit
* 在适当的输出VC状态下增加credit值
* 如果credit携带is_free_signal为true，则将输出VC标记为空闲

SwitchAllocator.cc::wakeup()

* 注意：SwitchAllocator在其内部执行VC仲裁和选择。
* SA-I(或SA-I):循环遍历每个输入端口上的所有输入VCs，并以轮询方式选择其中一个。
        * 对于HEAD/HEAD_TAIL flits，只选择一个输出端口至少有一个空闲输出VC的输入VC。
        * 对于BODY/TAIL flits，只选择一个在其输出VC中有积分的输入VC。
* 从这个VC中请求输出端口。
* SA-II(或SA-o):循环通过所有输出端口，并以轮询方式选择一个输入VC(在SA-I期间发出请求)作为该输出端口的获胜者。
        * 对于HEAD/HEAD_TAIL微片，执行outvc分配(即从输出端口选择一个空闲的VC)。
        * 对于BODY/TAIL flits，在输出vc中减少一个credit。
* 从输入VC中读取flit，并将其发送给CrossbarSwitch
* 为这个输入VC发送一个increment_credit信号到上游路由器。
* 对于HEAD_TAIL/TAIL flits，将is_free_signal标记为true。
* 输入单元通过credit链接将credit发送到上游路由器。
* 重新安排Router.cc::wakeup()，为下一个周期的flit进行SA做准备

CrossbarSwitch.cc::wakeup()

* 循环所有输入端口，并将获胜的Flit从其output port发送到output link
* 路由器Output Link 消耗Flit被放入全局事件队列，时间戳设置为下一个周期

* (The consuming flit output link of the router is put in the global event queue with a timestamp set to next cycle.)
* eventqueue调用consumer中的wakeup函数

NetworkLink.cc::wakeup()

* 检查SerDes是否启用，并对其序列化或反序列化Flit适当的计算
* 检查CDC是否启用，并根据情况调度所有微片到消费者时钟域

 6.garnet_synth_traffic*

scons build/NULL/gem5.opt PROTOCOL=Garnet_standalone
 
./build/NULL/gem5.opt configs/example/garnet_synth_traffic.py \
--network=garnet \  //--network：simple or garnet;
--num-cpus=8 \
--num-dirs=8 \
--topology=Mesh_XY \
--mesh-rows=4 \
--sim-cycles=20000 \
--inj-vnet=0 \
--injectionrate=0.02 \
--synthetic=uniform_random

Network configuration：        configs/network/Network.py

Traffic Injection：                configs/example/garnet_synth_traffic.py

7.garnet_synth_traffic实现  GarnetSyntheticTraffic.cc   

• 每周期每个 cpu 都会以 --injectionrate的概率执行 bernouli 试验，确定是否生成数据包
• 如果--num-packets-max为非负数，则每个 cpu 在生成--num-packets-max个数据包数后停止生成新数据包，在--sim-cycles个周期后终止注入
• 如果cpu生成新数据包，它会根据合成流量类型--synthetic计算新数据包的destination 
• 目的地址destination嵌入到分组地址中块偏移量后
• 生成的数据包被随机标记为 ReadReq、INST_FETCH 或 WriteReq，并发送到 Ruby 端口 （src/mem/ruby/system/RubyPort*）
• Ruby端口会将数据包分别转换为RubyRequestType:LD、RubyRequestType:IFETCH和RubyRequestType:ST，然后发送给定序器，定序器再将数据包发送给Garnet_standalone缓存控制器
• 缓存控制器cache controller从数据包地址提取 destination directory
• 缓存控制器将 LD、IFETCH 和 ST 分别注入虚拟网络 0、1 和 2
• LD和IFETCH作为控制包(8字节)注入，而ST作为数据包(72字节)注入
• 数据包遍历网络并到目录directory
• 目录控制器directory controller只需将其删除即可