title: Σχεδίαση και υλοποίηση σε HLS του router για το δίκτυο του AXIOM
title: Design and HLS implementation of the AXIOM network router
Creators: name: Ταμπακακης Ιωαννης
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2017

description: Το AXIOM project (Agile, eXtensible, fast I/O Module) στοχεύει στην έρευνα νέων αρχιτεκτονικών για τα Cyber-Physical συστήματα CPSs του μέλλοντος.  ́Ενας από τους σκοπούς του project είναι ο σχεδιασμός μίας μικρής και οικονομικά προσιτής πλατφόρμας η οποία θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν κόμβος τύπου LEGO σε ένα CPS, και ταυτόχρονα θα παρέχει προσαρμοστικότητα, ενεργειακή οικονομία αλλά και δομοστοιχειώτητα μέσω υψηλής ταχύτητας διασύνδεση πολλών κόμβων, το οποίο με τη σειρά του θα ανοίξει τον δρόμο για ταχεία και αξιόπιστη επικοινωνία. Δεδομένου ότι το επίπεδο της επικοινωνίας είναι η ραχοκοκαλιά κάθε κατανεμημένου συστήματος, αν δεν σχεδιαστεί και υλοποιηθεί προσεκτικά μπορεί να οδηγήσει σε συμφόρηση του δικτύου, χαμηλό throughput, μεγάλες καθυστερήσεις και γενικά να υποβαθμίσει την απόδοση. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός router το οποίο επιτρέπει την αδιάλειπτη διασύνδεση πολλών AXIOM boards τα οποία εκτείνονται μέσα σε ένα δίκτυο υψηλού throughput και χαμηλού latency. Βασισμένο σε μια δομή δικτύου χαμηλού κόστους, το router ακολουθεί την αρχή της ελάχιστης δυνατής χρήσης των πόρων της πλατφόρμας ενώ αξιοποιεί τα γνωστά και δοκιμασμένα δομικά στοιχεία των routers. Χρησιμοποιεί ιδεατά κανάλια ώστε να επιτρέπει την διαιτησία βάσει προτεραιότητας τύπου πακέτου το οποίο σε συνδυασμό με μία τεχνική Virtual Cut-Through μεταγωγής και ένα ντετερμινιστικό αλγόριθμο δρομολόγησης, προσφέρει αποδοτική και αξιόπιστη προώθηση πακέτων. Ο έλεγχος της ροής των πακέτων υλοποιείται μέσα από σήματα που προσομοιάζουν interrupts, τα οποία στέλνονται μεταξύ γειτονικών κόμβων με αποτέλεσμα την μεταφορά πακέτων δίχως απώλειες. Με μία πλήρως pipelined αρχιτεκτονική και ένα αποδοτικό streaming πρωτόκολλο επικοινωνίας, το router προσφέρει μία χαμηλού κόστους και υψηλής ταχύτητας διασύνδεση των κόμβων του δικτύου.
description: The AXIOM project (Agile, eXtensible, fast I/O Module) aims at researching new architectures for Cyber-Physical Systems (CPSs) of the future. One of the project’s goals is to design a small and affordable board that could be used as a LEGO-style CPS node and provide flexibility, energy efficiency as well as modularity through high speed interconnection of many nodes which in turn will pave the way for a fast and reliable communication. However, since the communication layer is the backbone of any distributed system, if not carefully designed and implemented it can lead to network congestion, low throughput, high latency and generally performance degradation. In this work we present a router design and implementation that enables a seamless interconnection of multiple AXIOM boards spanning inside a high throughput and low latency network. Based on a cost-efficient network infrastructure, the router follows the paradigm of keeping resource utilization to a minimum while using the well-known and trusted router primitives. Virtual channels are implemented in order to facilitate a prioritized packet arbitration which combined with Virtual Cut-Through switching and a deterministic routing algorithm provides efficient and reliable packet forwarding. Packet flow control is implemented through the transmission of interrupt-like signals between adjacent nodes leading to lossless packet transfers. With a fully pipelined architecture and an effective streaming communication protocol the router offers a low-cost, high-speed interconnection for the network’s nodes.