从片上多核系统到高性能计算机系统,互连网络作为节点之间通信的基础部件,一直是限制系统性能提升的瓶颈。路由器是互连网络的基础结构单元,负责网络中报文的转发,是影响网络吞吐率和报文传输延迟的关键部件。路由器基本结构包括输入端口、缓存、交换开关和输出端口等。其中,缓存用于存储路由器中等待转发的报文,而交换开关负责将报文无冲突的从路由器输入端口转发到输出端口。片上网络通常通过简化路由器流水级来降低报文通过路由器的延迟,而片间网络则通过增加路由器的并行结构来支持多端口和高吞吐率。虽然不同网络中路由器的微体系结构不尽相同,但是交换开关和缓存始终是路由器中的关键部件,因此设计高效的开关分配策略和缓存结构可以提高路由器以至整个网络的性能。本文针对路由器中开关分配方法和缓存优化问题进行了深入研究,主要研究成果及创新点如下:1.提出了通过开关分配与缓存优化协同设计提升性能的方法缓存结构和开关分配的优化都可以有效提升片上网络路由器的性能。已有的方法都是独立地对开关分配和缓存结构进行优化,而忽略了这两部分结构之间的相互影响与协同设计。本文基于已有的片上网络开关分配方法以及缓存优化策略,提出通过协同设计来进一步提升网络性能。该方法一方面采用重排序缓存（Reorder Buffer）技术为开关分配过程提供更多的有效请求,另一方面通过开关分配过程的优化动态选择缓存中的报文进行重排序以有效缓解缓存中的拥塞问题。通过开关分配与缓存优化的协同设计,片上网络的性能可以得到有效提升。2.提出了一种基于网络拥塞信息的开关分配方法传统开关分配方法仅对请求信息进行分析并作出相应的分配决策,忽视了不同端口拥塞程度的差异对开关分配造成的影响。针对这一不足,本文设计了一种新型片上网络开关分配方面CCAS。CCAS将拥塞信息应用在开关分配过程中来提高开关分配的效率。该方法通过在开关分配过程中避免端口拥塞程度进一步加深,在长时间维度上提高了开关分配的效率,显著降低了数据包传输的延迟,提高了网络吞吐率。3.提出了一种基于端点拥塞信息的开关分配方法端点拥塞出现在多个数据流发往同一个目的节点的情况下,并会在网络中形成饱和树从而严重影响网络性能。互连网络设计中通常采用拥塞控制机制来缓解端点拥塞对网络性能的影响,但是很少考虑在开关分配过程中进行针对端点拥塞的优化。本文提出了一种基于端点拥塞信息的开关分配方法,在开关分配过程中限制引起端点拥塞的请求,从而缓解端点拥塞的影响。基于端点拥塞信息的开关分配方法由于推迟了端点拥塞的形成,可以有效提升网络性能。4.提出了一种针对高阶路由器中间缓存的优化设计层次化结构的高阶路由器由很多基于SRAM的中间缓存（Intermediate Buffer）组成。虽然层次化的路由器结构使得路由器可以有效地支持大量端口,但小容量的中间缓存却会成为高阶路由器性能提升的瓶颈。增加中间缓存的容量可以克服这一问题,但是这需要大量的SRAM缓存从而带来很大的硬件开销。本文提出一种新的集中式中间缓存结构,并通过在这一结构中使用新型的STT-MRAM缓存来实现大容量的中间缓存。由于STT-MRAM具有高存储密度和低静态能耗的优点,该设计可以在有效提升高阶路由器性能的同时降低路由器设计的硬件开销。5.提出了一种针对高阶路由器输入端缓存的优化设计高阶路由器中不同端口中输入缓存的容量通常相等且必须匹配网络中的最长链路。但是当前高性能系统大多采用非对称网络,使得网络中链路长度变化很大,从而导致大量输入缓存未被充分利用。已有的工作设计了新的输入缓存架构,允许端口将数据包存储在任意端口上的未使用缓存中。但是,这样的设计在中间缓存中引入了过多的虚通道,使得虚通道过短从而造成性能损失。本文提出一种新的输入缓存架构来有效利用空闲的输入缓存,同时不会在中间缓存引入多余的虚通道。该结构只允许空闲的输入缓存在同一瓦片结构（Tile）上的端口之间共享,不仅减少了复杂的全局电路而且保证了空闲缓存的有效利用。6.完善了一个针对互连网络路由器性能评测的模拟器Net Router Sim针对当前片上以及片间网络性能评测的需要,本文将已有的路由器优化技术进行了实现,并形成了一个新的基于互连网络路由器性能评测的模拟器Net Router Sim。Net Router Sim完善了路由器微体系结构并集成了路由器各个流水阶段新的优化策略,使得高性能路由器体系结构设计以及路由器不同流水级之间的协同设计能够更加快速有效地进行。为高性能路由器设计提供了仿真环境的支持。综上所述,本文围绕“高性能路由器开关分配与缓存优化设计”这一目标,基于对路由器结构与互连网络特性的分析,优化设计了路由器结构,提高了开关分配效率和缓存结构,使得路由器性能和整个互连网络的性能得到很大提升。因此,本文解决了互连路由器设计中的一些实际问题,具有一定的工程价值和理论意义。