1．引言

　　集成电路技术在过去的几十年中得到了飞速的发展，在单一芯片上可集成的晶体管数目遵循着摩尔定律不断增加，片上通信机制也经历了从点对点到总线结构的转变。但是在实际的操作中，总线结构也暴露出了相当多的技术问题，比如，可扩展性差、定时困难、可重用性不佳等，并且也不具备并行通信能力。随着片上器件数目的进一步增加，为了使各部件之间更好的通信，总线结构已经不能胜任，芯片设计者需要寻求一种新的结构来解决片上器件互连的问题。于是，人们纷纷将目光聚焦于运用网络技术来解决芯片中器件互连的问题上，从而使片上网络成为了学术界新的研究热点。

　　对开销和能耗上的严格限制是片上网络与并行计算机、互联网络及计算机网络的最大不同。总的说来，片上网络具有芯片面积受限、低时延、高吞吐和低能耗等技术要求。交换机制是影响这些参数的一个重要因素，笼统的说，它定义了消息在片上网络中传递的方式，并规定了沿输出端口将消息转发出去的时机，其中也包含了对所传输消息格式的规定。路由算法的制定和路由器结构的设计，以及死锁、活锁、饿死等问题都在很大程度上依赖于所选用的交换机制。所以，对片上网络交换机制的分析和研究相当重要。

　　资源通过网络接口(rni)连接到本地路由器上，再由路由器连入网络。网络分界线在网络接口与本地路由器之间，网络部分采用统一的时钟，而资源可以根据功能的不同而采用任意的时钟，网络接口实现两种时钟的协调工作。资源一般通过网络接口以分组的形式将消息注入给网络，在网络中数据的传递形式则由所选用的交换机制而定。

　　片上网络中运用的交换机制主要可以分为两类：面向连接的和无连接的。面向连接的交换机制主要有电路交换，无连接的机制主要有分组交换、虚切通和虫孔交换。本文将分别对这几种交换机制的工作原理进行描述，并对各种交换机制在片上网络中的优缺点进行分析与比较。

2．现有片上网络交换机制

2.1 电路交换

　　电路交换最早产生于公共交换电话网(pstn)，是一种面向连接的交换机制。在开始通信之前，一般要通过一个信息头按照一定的路由规则选路，然后建立路径，同时预定所经过路径的信道资源。收端在成功收到这个信息头后将沿原路返回一个应答，发端收到这个应答后便开始传输数据。数据部分在网络中传输时将独占此路径中各段链路的整个带宽，并且不需要再做路由选择。当通信结束后，发端向收端发出终止通信的要求，并沿路拆链，释放对各段链路的使用权。这就是电路交换的主要工作过程，如图2所示，白色区域代表数据。

　　采用面向连接的方式可以保证片上网络一些特定业务的服务质量。在多媒体业务中，消息一般数量较少，但消息较长，所以采用电路交换方式较有优势。因为当消息较长时，数据部分的传输时间远大于路径建立的时间，并且由于独占整个物理带宽，因此可以保证高吞吐和低时延。目前已经提出的片上网络模型，如aethereal，nostrum和mango等都用到了这种面向连接的思想来提供有保障的服务。采用电路交换的另一个好处是不需要在路由节点中添加缓存资源，这可以在很大程度上减小面积。传统电路交换的一个缺点是一条链路只能被一个预留通道的应用所使用，而采用时分复用的虚电路方式可以很好的解决这个问题。这种面向连接的交换机制采用异步通信，很好的解决了片上同步问题。然而对于尽力而为的业务而言，这种面向连接的电路交换并不适用，因为尽力业务中的消息较短，且通信较频繁，建立路径的时间开销将不可容忍，同时也会消耗过多的能量。

2.2 分组交换

　　分组交换是先将数据完全存储，然后进行路由决策，最后再转发到下一节点的一种交换机制。它是在片上网络中最早使用的一种交换机制，片上网络中的分组交换主要以分组为流控单位，每个分组的大小可以不等，并且每个分组有一个分组头，存有源节点地址，目的节点地址以及其它一些控制信息。路由节点接收到一个分组后，先将整个分组存储在缓存器中，从分组头中获取所需的路由信息，由路由器的路由决策单元选择一条输出通道后，置位交叉矩阵中的内部连接，如果下一路由节点中有足够的空间存放此分组，就将此分组转发到下一路由节点。

　　分组交换的时延与跳数成正比，因此它无法很好的适应网络规模的扩展。并且在每个路由节点中要提供至少一个分组大小的缓存资源，因此会使芯片面积增加。而且每存储转发一个分组，路由节点中的所有缓存器都要参与工作并消耗能量。同时，如果两节点间传输的是多媒体业务，则一般希望分组之间的顺序不发生变化，且要求较低的抖动范围，而由于每个分组独立路由，不同分组在网络中可能经历不同的路径，因此无法保证收端接收顺序与发送顺序相同，也就是所谓的乱序现象，又由于各分组到达时间无法预测，因此又会产生抖动。所以分组交换不能提供有保证的服务，而只能提供尽