IMPLEMENTAÇÃO DE UMA INFRA- ESTRUTURA DE MONITORAMENTO PARA AVALIAÇÃO DE PLATAFORMAS MPSOC BASEADAS EM NOC SAMUEL DOS SANTOS MARCZAK

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1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE INFORÁTICA PROGRAA DE PÓS- GRADUAÇÃO E CIÊNCIA DA COPUTAÇÃO IPLEENTAÇÃO DE UA INFRA- ESTRUTURA DE ONITORAENTO PARA AVALIAÇÃO DE PLATAFORAS PSOC BASEADAS E NOC SAUEL DOS SANTOS ARCZAK Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de estre em Ciência da Computação na Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul. Orientador: Prof. Dr. Fernando Gehm oraes Porto Alegre, Brasil 2010

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3 FICHA CATALOGRÁFICA EITIDA PELA BIBLIOTECA

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5 TERO DE APRESENTAÇÃO DE DISSERTACAO DE ESTRADO EITIDA E ASSINADA PELA FACULDADE

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7 IPLEENTAÇÃO DE UA INFRA-ESTRUTURA DE ONITORAENTO PARA AVALIAÇÃO DE PLATAFORAS PSoC BASEADAS E NoC RESUO PSoCs (ulti Processor System on Chips) são arquiteturas bastante complexas e, por consequência, a verificação do correto funcionamento do sistema bem como a garantia da qualidade de serviço são ações que se tornam cada vez mais difíceis de serem realizadas. Assim sendo, é importante a pesquisa de mecanismos para a verificação da operação do sistema como um todo que visem a captura de informações sobre seu estado a cada instante, obtidas através de monitores adequadamente adicionados à arquitetura. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma infra- estrutura de monitoramento para PSoCs baseados em NoC (Networks on Chip), sendo realizado através de monitores de tráfego adicionados à NoC. A estrutura de monitoramento é integrada ao microkernel do processador que controla o PSoC. Os resultados demonstram que os monitores não interferem no desempenho global da NoC e que é possível calcular a taxa de recepção de pacotes na rede através das informações coletadas pelos monitores. A integração da estrutura de monitoramento ao PSoC é validada a partir de matrizes inseridas no microkernel do processador de controle, que armazenam os valores de monitoramento dos canais de cada roteador da NoC. Palavras Chave: redes intra- chip (NoCs); monitores; sistemas de monitoramento; desempenho; PSoCs.

8 IPLEENTATION OF A ONITORING INFRASTRUCTURE FOR NoC-BASED PSoC PLATFORS ABSTRACT PSoCs (ulti Processor System on Chips) are complex architectures. As a consequence, verify the system and assure quality of service constraints become complex tasks. Therefore, the research on mechanisms for verifying the system operation is necessary. These mechanisms aim at capturing data about the system status at each moment. This data is captured through the addition of monitors to the architecture. This work presents the implementation of a monitoring infrastructure for NoC- based PSoCs. The monitoring is captured through traffic monitors added to the NoC (Network- on- Chip). The monitoring infrastructure is integrated to the microkernel of the PSoC manager processor. Results show that the monitors do not interfere with the NoC global performance and that is possible to obtain the throughput of the flows in the network through the data collected by the monitors. The integration of the monitoring infrastructure to the PSoC is validated based on matrices added to the microkernel of the manager processor. These matrices store the monitoring values of each NoC router channel. Keywords: networks intra- chip (NoCs); monitors; monitoring systems; performance; PSoCs.

9 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - CONFIGURAÇÕES DO SERVIÇO DE ONITORAÇÃO DOS DADOS COLETADOS: (A) CENTRALIZADO E (B) DISTRIBUÍDO, ONDE OS PONTOS DE TESTE SÃO REPRESENTADOS POR (P) E U SISTEA DE CONTROLE É REPRESENTADO POR (SA) [CIO04] FIGURA 2 - ALTERNATIVAS PARA TRANSITIR INFORAÇÕES DE ONITORAENTO [CIO06A] FIGURA 3 - INFRA- ESTRUTURA DE ONITORAENTO PROPOSTA POR [VER09] FIGURA 4 - NOVA ESTRUTURA DO ROTEADOR CC DA REDE HERES, ONDE SE ACRESCENTOU O ÓDULO GPC, UA PORTA LÓGICA AND E DOIS ULTIPLEXADORES FIGURA 5 - PACOTE DE CONTROLE GERADO PELO GPC. PACOTE COPOSTO POR QUATRO FLITS DE CABEÇALHO E SEIS FLITS DE CORPO DE DADOS FIGURA 6 - ÁQUINA DE TRANSIÇÃO DE ESTADOS QUE CONTROLA A TRANSISSÃO DOS PACOTES DE CONTROLE GERADOS PELO GPC FIGURA 7 - FUNCIONAENTO DA ÁQUINA DE ESTADOS QUE CONTROLA A TRANSISSÃO DOS PACOTES DE CONTROLE FIGURA 8 - DADOS LIDOS DOS ONITORES APÓS ATIVAÇÃO DO SINAL TRIGGER E ONTAGE CORRETA DOS PACOTES DE CONTROLE FIGURA 9 - INSTÂNCIA DA HEPS UTILIZANDO UA NOC CO DIENSÕES 2 X 3 PARA INTERCONECTAR SEIS PROCESSADORES PLASA- IP FIGURA 10 - COUNICAÇÃO ENTRE PROCESSADOR ESTRE E ESCRAVO ATRAVÉS DE SERVIÇOS. OS NÚEROS INDICADOS NAS SETAS DE COUNICAÇÃO CORRESPONDE AOS SERVIÇOS DEFINIDOS NA TABELA FIGURA 11 PSEUDO- CÓDIGO DA FUNÇÃO DEBUGONITORING( ), A QUAL REALIZA O TRATAENTO DAS INFORAÇÕES DE ONITORAENTO FIGURA 12 - PSEUDO- CÓDIGO DEONSTRANDO O ARAZENAENTO DOS DADOS ONITORADOS E CADA UA DAS CINCO ATRIZES TOTAL E RCV FIGURA 13 - INTERFACE DA PLATAFORA ATLAS PARA A GERAÇÃO DAS REDES UTILIZADAS NA VALIDAÇÃO DOS ONITORES FIGURA 14 (A) FLUXO DE PACOTES DO CENÁRIO1 E CENÁRIO2; (B)TRÁFEGOS DO CENÁRIO1 E CENÁRIO FIGURA 15 (A) FLUXO DE PACOTES DO CENÁRIO3; (B)TRÁFEGOS DO CENÁRIO FIGURA 16 - APEAENTO ESTÁTICO DAS TAREFAS DE DUAS APLICAÇÕES COUNICATION NO PSOC HEPS 3 X FIGURA 17 - TAXA DE COUNICAÇÃO UTILIZADA NA APLICAÇÃO COUNICATION FIGURA 18 - ESTIATIVA DE TRÁFEGO NAS PORTAS DO ROTEADOR CC FIGURA 19 - ESTIATIVA DE TRÁFEGO NAS PORTAS DE TODOS OS ROTEADORES ONITORADOS

10 LISTA DE TABELAS TABELA 1 - COPARAÇÃO DAS VANTAGENS (+) E DESVANTAGENS (- ) DAS ALTERNATIVAS ABORDADAS PARA TRANSITIR INFORAÇÕES DE ONITORAENTO TABELA 2 - TABELA COPARATIVA DOS TRABALHOS RELACIONADOS A SISTEAS DE ONITORAENTO DE NOCS E PSOCS APRESENTADOS NO ESTADO DA ARTE TABELA 3 - DESCRIÇÃO DOS SERVIÇOS QUE U PACOTE PODE CARREGAR TABELA 4 - ATRIZES QUE REPRESENTA A OCUPAÇÃO DOS CANAIS DE CADA PORTA DO ROTEADOR TABELA 5 - TAXA DE RECEPÇÃO DOS PACOTES PARA O CENÁRIO TABELA 6 - TAXA DE RECEPÇÃO DOS PACOTES PARA O CENÁRIO TABELA 7 - TAXA DE RECEPÇÃO DOS PACOTES PARA O CENÁRIO TABELA 8 - CONSUO DE ÁREA DA REDE HERES 3 X 3 SE E CO ONITORES E DE ROTEADORES DE 3, 4 E 5 PORTAS TABELA 9 QUANTIDADE TOTAL DE FLITS ENVIADOS PELAS TAREFAS A, B E C DAS APLICAÇÕES COUNICATION1 E TABELA 10 TAANHO DAS ENSAGENS DE APEAENTO ENVIADAS PELO ESTRE PARA AS TAREFAS TABELA 11 ESTIATIVA DA QUANTIDADE TOTAL DE DADOS QUE TRAFEGA NOS ROTEADORES ONITORADOS TABELA 12 VALORES DAS ATRIZES DA ESTRUTURA ATRIZ TOTAL TABELA 13 QUANTIDADE TOTAL DE DADOS QUE TRAFEGA NOS ROTEADORES ONITORADOS

11 LISTA DE SIGLAS CCBE Congestion Controlled Best Effort DA Direct emory Access ECR East Channels RCV ECT East Channels Total FPGA Field Programmable Gate Array GPC Gerador de Pacotes de Controle GS Guaranteed Service IAP llegal Access Probe ISA Instruction Set Architecture ISE Integrated Software Environment LPR Local Port RCV LPT Local Port Total LUT Look Up Table PC odel Predictive Control PSoC ulti Processor System on Chip SA onitoring Service Access Point NCR North Channels RCV NCT North Channels Total NI Network Interface NoC Networks- on- Chip PE Processing Element PSFE Protocol- Specific Front End SCR South Channels RCV SCT South Channels Total RTL Register Transfer Level SoC System- on- a- Chip VC Virtual Channel VHDL VHSIC Hardware Description Language VHSIC Very High Speed Integrated Circuits WCR West Channels RCV WCT West Channels Total

12 SUÁRIO 1 INTRODUÇÃO otivações do Trabalho Objetivos do Trabalho Contribuição do Presente Trabalho Organização do Documento ESTADO DA ARTE arescaux et al Brand et al Ciordas et al Kim et al Fiorin et al Vermeulen et al Fiorin et al Considerações Finais ONITORAENTO DA REDE HERES Rede HERES Implementação dos onitores na Rede HERES ódulo Gerador de Pacote de Controle (GPC) UTILIZAÇÃO DOS DADOS DE ONITORAENTO NA PLATAFORA HEPS Plataforma HePS Detalhes do ódulo Plasma- IP Integração da Estrutura de onitoramento no icrokernel do Plasma- IP P Tratamento dos Pacotes de onitoramento RESULTADOS Avaliação da Rede HERES Avaliação Preliminar de Área Avaliação da Plataforma HePS CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Trabalhos Futuros... 58

13 13 1 INTRODUÇÃO Com a evolução da tecnologia do silício obteve- se um aumento significativo na densidade dos circuitos integrados. Isso levou à criação de dispositivos cada vez mais complexos, que agregam de dezenas a centenas de módulos comunicando- se internamente em um único chip, conduzindo ao conceito de SoC (System- on- a- Chip) [AR01]. O avanço contínuo da tecnologia permite o projeto de sistemas mais complexos, tais como sistemas multiprocessados integrados na forma de um SoC. Um primeiro esforço nesse sentido resultou nos processadores Dual Core, que estão substituindo os processadores com um único núcleo de processamento. Dada a especificidade e elevada quantidade de aplicações dos sistemas embarcados atuais, é necessária a construção desses sistemas utilizando- se PSoCs (ulti Processor System on Chips). PSoCs são arquiteturas compostas por n elementos de processamento (Processing Element, PE) que executam instruções específicas e que, em conjunto, devem atender a requisitos de uma dada aplicação ou classe de aplicações [JER05]. PSoCs são uma tendência atual no mercado de dispositivos eletrônicos voltados à computação móvel. Esses dispositivos utilizam como meio de interconexão, entre seus diversos núcleos de processamento, estruturas do tipo barramentos ou redes intra- chip (Networks- on- Chip, NoC) [BEN02]. A comunicação através de barramentos não satisfaz os requisitos de desempenho para os dispositivos compostos por diversos núcleos, visto que os elementos de processamento desses dispositivos comunicam- se entre si em alta velocidade, fazendo com que um PSoC possua requisitos rígidos de comunicação. Com isso, as NoCs com topologia regulares destacam- se como uma tendência, devido a características intrínsecas ao seu funcionamento, como escalabilidade e paralelismo na comunicação. Dentre algumas vantagens que essa estrutura de comunicação apresenta, citam- se [BEN01]: (i) escalabilidade da largura de banda [GUE00]; (ii) paralelismo na comunicação; (iii) reusabilidade; (iv) confiabilidade; e (v) eficiência na gerência do consumo de energia. Sob o ponto de vista do multiprocessamento, um PSoC é dito homogêneo quando os elementos processadores que o compõe são todos da mesma natureza. Por exemplo, um sistema composto por n processadores com a mesma arquitetura e que permite a execução do mesmo conjunto de instruções ISA (Instruction Set Architecture) pode ser considerado homogêneo. Por outro lado, quando os elementos processadores são de naturezas distintas, o PSoC é dito heterogêneo. Isso pode ocorrer, por exemplo, quando os processadores embarcados no sistema

14 14 possuem arquiteturas diferentes, como IPS, AR e PowerPC, ou propósitos diferentes, como processadores de propósito geral e processadores para processamento de sinais. esmo que o emprego de PSoCs represente uma tendência em sistemas embarcados, alguns tópicos ainda necessitam de maiores estudos, tais como metodologias de seus projetos e suporte à execução. Algumas funções essenciais de suporte à execução são: (i) gerência de memória; (ii) escalonamento; e (iii) mapeamento de tarefas. Em geral, tais políticas são implementadas por sistemas operacionais. Em PSoCs com carga dinâmica de tarefas, um elemento de processamento deve realizar essas funções de controle em tempo de execução. Por exemplo, o mapeamento de tarefas pode se beneficiar do emprego de monitores caso considere em sua heurística o estado do sistema, definido pela informação de monitoramento. Caso esse estado fosse obtido por estimativas produzidas em tempo de projeto, a informação do estado do PSoC pode ser imprecisa em um cenário de carga dinâmica de aplicações. Com monitores é possível substituir estimativas por medidas reais. Outra aplicação importante dos monitores é o auxílio à validação, um dos pontos críticos no projeto de PSoCs. Simulação é o estado da arte na verificação do desempenho de PSoCs, no entanto ela possui desvantagens conceituais que a tornam inviável conforme a complexidade do sistema cresce. Nesse caso, uma possível solução é utilizar emulação, onde monitores de tráfego capturam informações relativas ao PSoC em hardware enquanto este está em funcionamento. Essa técnica é mais eficiente e mais confiável que simulação, pois obtém informações relativas ao funcionamento real do PSoC [RIC03] ao custo de elevada complexidade de execução. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de uma infra- estrutura de monitoramento para PSoCs que usam NoC como meio de interconexão, com o objetivo de analisar o tráfego das portas de entrada dos roteadores. A partir dessa análise é possível realizar tomadas de decisões, tais como mapeamento e migração de tarefas em núcleos aptos a receber novas tarefas, para que o PSoC tenha um melhor desempenho. A partir das informações de tráfego da NoC, obtidas através dos monitores, é montada uma estrutura de dados no processador que controla o PSoC e que reflete a ocupação do PSoC como um todo. 1.1 otivações do Trabalho PSoCs estão sendo cada vez mais empregados, tanto na indústria como no meio acadêmico e a tendência é que ainda haja um grande crescimento na utilização desses sistemas [JER07]. Para conectar os diversos núcleos de processamento, PSoCs utilizam como meio de interconexão

15 estruturas do tipo barramentos ou redes intra- chip (NoCs). As NoCs destacam- se como uma tendência, pois são mais escaláveis que barramentos, oferecendo maior largura de banda. Como PSoCs são arquiteturas bastante complexas, e em geral suas aplicações apresentam naturezas distintas com relação aos requisistos de comunicação, torna- se cada vez mais difícil estimar o comportamento do sistema. Assim, a realização de tarefas fundamentais, tais como a verificação do correto funcionamento do sistema e a garantia da qualidade de serviço tornam- se igualmente complexas. Uma alternativa para auxiliar na realização dessas tarefas, está no uso de monitores de tráfego em NoCs. A avaliação de um conjunto de variáveis, tais como: (i) violações no escalonamento dos processos; (ii) falhas no atendimento de deadlines das aplicações de tempo real; e (iii) congestionamento no meio de comunicação; é importante para definir qual o conjunto de informações que deve ser gerado pelos monitores Objetivos do Trabalho O objetivo principal deste trabalho é descrever a implementação e validação de uma infra- estrutura de monitoramento para PSoCs baseado em NoC. A validação ocorre através de sua implementação na NoC HERES [OR04] utilizada como meio de interconexão dos núcleos da plataforma PSoC HePS [WOS07]. O monitoramento é realizado através de monitores inseridos nas portas de entrada dos roteadores da NoC que geram informações da quantidade de flits 1 que passam nas portas de entrada dos roteadores em uma determinada janela de tempo. Essa análise permite, por exemplo, obter a taxa de recepção dos pacotes (vazão). Cada roteador envia pacotes com os dados de monitoramento a um processador responsável pela gerência do PSoC, o qual monta uma estrutura de dados que reflete a ocupação dos núcleos do PSoC. A partir dessa infra- estrutura espera- se melhorar o desempenho da plataforma, realizando tomadas de decisões, tais como mapeamento e migração de tarefas em núcleos da plataforma que estejam menos sobrecarregados e aptos a receber novas tarefas. 1.3 Contribuição do Presente Trabalho O presente trabalho apresenta como contribuições uma estrutura de monitoramento de NoCs e a integração do monitoramento em um PSoC realizado através de um sistema de recepção e tratamento dos dados monitorados. 1 Flit é a menor unidade de transferência de dados.

16 16 As contribuições deste trabalho, no que se refere ao monitoramento de NoCs, compreendem o monitoramento da vazão da rede HERES, através do compartilhamento da rede para dados de aplicação e monitoramento. Destaca- se que o monitoramento pode ser realizado sobre diferentes configurações da rede HERES. Em relação à integração do monitoramento, um sistema de recepção e tratamento dos dados monitorados foi incluído no kernel do PSoC HePS. O sistema permite que o processador mestre (gerente) tome decisões relevantes para a melhora de desempenho do PSoC. 1.4 Organização do Documento Este trabalho está organizado como segue. O próximo Capítulo apresenta conceitos relacionados ao processo de monitoramento de NoCs, bem como a revisão bibliográfica de trabalhos relacionados ao monitoramento do meio de comunicação em PSoCs. A arquitetura dos monitores implementados e a nova estrutura da rede intra- chip, criada a partir da inserção dos monitores na rede, é apresentada, em detalhes, no Capítulo 3. Em seguida, o Capítulo 4 apresenta a utilização dos dados de monitoramento na plataforma PSoC HePS enquanto que o Capítulo 5 traz os resultados obtidos com os monitores inseridos na rede HERES e aqueles obtidos através da integração dos monitores em serviços do microkernel na plataforma HePS. Finalmente, o Capítulo 6 apresenta as conclusões do trabalho e diretrizes para futuros estudos.

17 17 2 ESTADO DA ARTE Este Capítulo apresenta o estado da arte em sistemas para monitoramento de NoCs e PSoCs baseados em NoC, tanto em questões de implementação quanto em requisitos de desempenho e métricas propostas para avaliar o desempenho de plataformas PSoCs. A monitoração de tráfego em NoCs tem por objetivo observar o comportamento dos dados que trafegam na rede, de modo a oferecer suporte a algum dispositivo de controle para que se mantenha o funcionamento correto no PSoC onde a rede está inserida. O número elevado de núcleos em PSoCs com requisitos rígidos de desempenho, além da própria complexidade inerente de NoCs, faz da monitoração um aspecto crítico no projeto de plataformas PSoCs. O processo de monitoração ocorre em duas etapas: (i) coleta de informações; e (ii) processamento das informações coletadas. O serviço de monitoração em NoCs consiste em se configurar pontos de teste que são integrados a roteadores ou interfaces de rede, onde as informações de tráfego são coletadas [CIO04]. A conexão dos pontos de teste à rede pode ser realizada de maneira externa, onde são acoplados a interfaces de rede dos IPs receptores de tráfego, ou de maneira interna, na qual é acoplado um ponto de teste em cada roteador ou em um subconjunto de roteadores da NoC. As informações coletadas devem ser transmitidas para um sistema de controle, denominado SA (onitoring Service Access Point) [CIO06a], para que sejam processadas e para que se tome alguma decisão de acordo com os eventos diagnosticados, tais como mapeamento ou migração de tarefas. As informações de monitoração normalmente incluem valores de variáveis relativas ao tráfego que interferem no desempenho da aplicação. Dentre esses valores pode- se considerar, por exemplo, os parâmetros de contenção e liberação de pacotes, bem como a utilização de filas de roteadores. A avaliação da contenção de pacotes verifica o atendimento de requisitos relacionados ao tempo de envio de mensagens de uma dada aplicação. Os seguintes parâmetros podem ser monitorados: latência, é o intervalo de tempo decorrido entre o início da transmissão de um pacote e sua completa recepção no destino; jitter, indica o grau de variabilidade dos valores de latência, através do cálculo do seu desvio padrão, e;

18 18 cpf, refere- se ao número de ciclos para transmitir um flit entre roteadores vizinhos. Os requisitos de liberação de pacotes são avaliados com o objetivo de verificar o cumprimento ou não de requisitos de taxa de transmissão de dados pela fonte, recepção no destino e ocupação dos canais da rede. O tráfego aceito é a relação existente entre as taxas de injeção e as taxas de recepção, sendo que as informações para análise são coletadas nas interfaces externas dos núcleos geradores e receptores de tráfego. A taxa de utilização de canais especifica o percentual de tempo em que o mesmo está ocupado com a transmissão de dados. Durante a monitoração de utilização de filas são verificados os buffers dos roteadores (buffers internos) e/ou aqueles conectados às interfaces de rede - NI (Network Interface). Nessa monitoração, salientam- se alguns parâmetros importantes, tais como: a quantidade de posições preenchidas do buffer; a quantidade de dados não inserida no buffer da NI pelo fato do mesmo estar cheio; o número de vezes que a aplicação quis consumir dados de buffer da NI mas o mesmo está vazio, e; o número de ocorrências em que o crédito em buffers internos de roteadores vizinhos estiver em nível baixo. Quando as informações são avaliadas após a execução do sistema, e servem como referência para alguma modificação estrutural da arquitetura da rede, o processamento é denomidado off- line. Por exemplo, em função dos dados obtidos durante a simulação pode- se dimensionar enlaces, buffers e até suprimir roteadores da rede gerando- se uma topologia irregular. Entretanto, quando as informações são avaliadas durante a simulação do sistema, o processamento é denominado on- line. O foco do presente trabalho está no monitoramento on- line. O monitoramento on- line permite a tomada de decisões de mapeamento e de roteamento, por exemplo. O processamento off- line mostra- se mais apropriado para tratamento de tráfego conhecido, onde é maior a previsibilidade do comportamento da aplicação, isto devido a rotas de tráfego previamente definidas. Quanto à localização do serviço de processamento dos dados de monitoração, duas abordagens podem ser adotadas: (i) monitoração centralizada; e (ii) monitoração distribuída [CIO04]. As maneiras como podem ser transmitidas as informações de monitoramento em NoCs são apresentadas abaixo: (1) interconexão física separada, com uma rede de dados para aplicações e uma rede

19 física específica, à qual os pontos de teste são conectados para monitorar a rede de dados para aplicações; (2) interconexão física comum, apenas uma rede é utilizada como estrutura de comunicação, porém dados de monitoração são transmitidos em fios dedicados, e; (3) interconexão física comum, somente uma rede é utilizada como estrutura de comunicação, onde os enlaces que interligam os roteadores têm sua utilização multiplexada entre tráfego de dados de aplicação e de monitoração. Neste trabalho empregam- se: (i) monitoração distribuída, com controle centralizado; e (ii) interconexão física comum multiplexada arescaux et al arescaux et al. [AR05] apresentam uma técnica de controle de congestionamento utilizando monitores em roteadores, denominado monitor de buffer. O monitor de buffer utiliza quatro sinais: new_packet, acionado quando um novo pacote chega ao roteador; source, que indica a fonte do pacote; priority, que especifica a prioridade do pacote e packets_outqueue, que informa quantos pacotes existem no buffer. O monitor de buffer é conectado na porta de saída dos buffers dos roteadores da rede de dados. Sua função principal é verificar o congestionamento através de medição da quantidade de pacotes que são armazenados no interior do buffer do roteador. Se existirem mais pacotes no buffer do que especificado em um nível de threshold, significa que o mesmo está congestionado. Uma vez detectado congestionamento, deve ser enviada uma mensagem de congestionamento para o IP de controle. Para tomar uma decisão, o monitor de buffer armazena informações relativas a pacotes recentes em uma fila separada de histórico, denominada hfifo, a qual contém o endereço fonte e a prioridade do pacote. É então invocada a função find_lowest para pesquisar todos os campos de prioridade na hfifo para encontrar o endereço fonte do pacote que possui a menor prioridade. Se dois pacotes possuem a mesma prioridade, a fonte do pacote mais recente é selecionada. Uma mensagem de notificação de congestionamento composta pelo endereço fonte e a prioridade é então reportada ao monitor de congestionamento. A entrada na FIFO de histórico é marcada como notified para evitar notificações subsequentes. A marca notified é local à hfifo do monitor de buffer, portanto o mesmo pacote pode acionar mais notificações de congestão nos próximos hops ao longo do caminho de um fluxo. Finalmente, é gerada uma mensagem de controle

20 20 que utiliza fios separados para transmitir notificações de congestionamento sobre a rede para as fontes de tráfego relacionadas, as quais ajustam a sua taxa de injeção. 2.2 Brand et al Brand et al. [BRA07] propõem uma estratégia de controle de congestionamento com o objetivo de limitar a latência na rede, denominada CCBE (Congestion Controlled Best Effort). Os autores definiram a utilização dos enlaces como sendo o parâmetro de medição de congestionamento, pelo fato de o considerarem mais direto que a ocupação em buffers. edidas de congestionamento realizadas no enlace são consideradas mais precisas, por especificar com precisão onde a congestão ocorre. A técnica PC (odel Predictive Control) combina predições baseadas na modelagem de um sistema com dados de medição. Controladores PC oferecem suporte para tratar latências com variabilidade (jitter), o que é considerado um fator crítico. Parâmetros de referência, como por exemplo utilização de enlaces e cargas oferecidas por conexões de melhor esforço BE (Best- Effort) podem ser especificados ao PC, o qual toma decisões de controle com base nestes valores para que o sistema não oscile. O controlador PC é utilizado de forma centralizada em conjunto com o serviço de monitoração centralizado. Pontos de teste espalhados pela rede são utilizados para obter medidas de utilização dos enlaces. Tais informações são transmitidas ao longo de canais de serviço garantido GS (Guaranteed Service), para atingir o objetivo de se obter um sistema confiável, sem interferência de outros fluxos da rede. A partir dos dados de medição, é realizado o controle de injeção de dados na rede pela fonte, de modo a evitar congestionamento. 2.3 Ciordas et al Ciordas et al. em [CIO04] propõem um serviço de monitoramento genérico para NoCs onde os pontos de teste de monitoração são conectados a componentes tais como: roteadores ou interfaces de rede. O serviço de monitoração é configurado em tempo de execução, por um módulo IP conectado a uma interface de rede, denominado SA (onitoring Service Access Point). O serviço de processamento dos dados de monitoração pode ser centralizado ou distribuído. Em um serviço de monitoração centralizada, como o apresentado na Figura 1(a), a informação monitorada pelos pontos de teste é coletada em um ponto central, nesse caso por um simples

21 SA, destacado na Figura 1(a). Essa configuração é possível e conveniente para redes pequenas. Contudo, o envio de dados monitorados somente para um ponto central pode tornar- se um gargalo em redes maiores. No serviço de monitoramento distribuído, a informação a ser monitorada é coletada de diferentes subconjuntos de componentes de NoC, localizados em diferentes pontos da rede. Nessa configuração, gargalos de desempenho são minimizados adquirindo- se, assim, escalabilidade, o que torna esta estratégia mais adequada para redes de maior tamanho. A Figura 1(b) ilustra o serviço de monitoração distribuído, composto por dois subconjuntos de componentes, SA1 e SA2, que controlam diferentes regiões da rede. O gerenciador de tráfego direciona o tráfego do SA para os pontos de teste (quando for requisitada a configuração dos pontos de teste) e o tráfego dos pontos de teste para o SA (quando forem requisitadas informações de monitoramento). 21 Figura 1 - Configurações do serviço de monitoração dos dados coletados: (a) centralizado e (b) distribuído, onde os pontos de teste são representados por (P) e um sistema de controle é representado por (SA) [CIO04]. Toda a informação monitorada é modelada no formato de eventos. Cada evento possui os seguintes parâmetros: identificador, o qual define o tipo de evento; etiqueta de tempo, que define o momento no qual é gerado o evento; produtor, que é a entidade que gera o evento, e; atributos, que definem valores relacionados aos eventos. Os pontos de teste de monitoração responsáveis pela captura das informações na NoC não são necessariamente conectados a todos os componentes da NoC, sendo sua localização definida

22 22 em tempo de projeto. Para a definição dessa localização é necessário observar o compromisso de seu custo com a quantidade de eventos observados. Eventos monitorados podem ser relacionados: à configuração das comunicações de usuário; às informações das aplicações da rede, por exemplo, movimentações de dados da memória; à configuração do funcionamento da rede; a alertas da rede, por exemplo, indisponibilidade em buffers, e; aos próprios serviços de monitoração, como, por exemplo, perda de dados. Ciordas et al. [CIO06a] apresentam diversas alternativas escaláveis para a transmissão das informações de monitoramento em NoCs. As alternativas de como podem ser transmitidas as informações de monitoramento são ilustradas na Figura 2. Nessa Figura, podem ser observados exemplos da utilização de um processamento de informações centralizado, onde o SA é um núcleo IP conectado à rede. É possível, entretanto, a utilização de uma configuração distribuída. No caso ilustrado pela Figura 2(a), outra rede física específica é escolhida para monitorar a rede de dados a qual são conectados os pontos de teste. Essa estrutura é utilizada para transportar as informações monitoradas pelos pontos de teste para o SA e para monitorar a configuração de seu tráfego para os pontos de teste. A estrutura dessa NoC pode ter topologia diferente da rede de dados. Um número menor de pontos de teste pode ser adotado, dando cobertura a regiões mais críticas da rede. O fato de os dados monitorados trafegarem em uma rede isolada traz como vantagem a ausência de interferência que seria causada por dados de aplicações. As desvantagens dessa abordagem estão relacionadas ao custo em área de silício e à impossibilidade de reuso da estrutura para outros tipos de tráfego. A inserção de mais fios aumenta a probabilidade de aparecimento de crosstalk, um fenômeno que pode ocasionar erros na transmissão dos dados. Na Figura 2(b) é ilustrada uma segunda alternativa de monitoração, onde apenas uma rede é utilizada. Observa- se que são acrescentadas novas portas nos roteadores para fazer a conexão dos pontos de teste e do SA. O fato de os enlaces serem conectados aos mesmos roteadores que a rede de dados de aplicações traz ao sistema flexibilidade, uma vez que é possível o acionamento da transmissão de dados por essas vias quando as mesmas não estiverem enviando dados de monitoração. A principal desvantagem dessa alternativa é que os roteadores são normalmente limitados a um número máximo de portas.