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摘要 摘要 目前，微电子技术已经发展到了一个很关键的时期。微电子技术发展的目标 是不断提高集成系统的性能及性能价格比。自5 0 年前发明晶体管以来，为了提高 电子系统的性能，降低成本，半导体的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高， 同时硅片面积不断增大。当前，s o c 是微电子技术发展的热点，整个系统中采用s o c 可以减小芯片尺寸、增强系统功能、降低功耗。s o c 的设计技术是从“集成电路” 级设计到“集成系统”级设计转变的结果，其设计是从整个系统性能出发，在单 个芯片上完成整个系统的功能。但是随着系统的发展，多c p u 体系是更大规模发 展的趋势，但总线结构的原始构思是基于单一c p u 的，传统总线结构无法满足发 展的需求。于是，1 9 9 9 年左右几个研究小组提出了种全新的集成电路体系结构 n o c ( n e t w o r ko nc h i p ) 。其核心思想是将计算机网络技术移植到芯片设计中来，从 体系结构上彻底解决总线架构带来的问题。 本文首先对当前微电子的发展现状进行了总结，并针对当前微电子行业中的 前沿思想n o c 的体系结构进行了充分的研究。其中，针对结构中的物理连线模型、 通讯节点开关、拓扑模型结构等方面进行了总结和分析，并对基于通讯的n o c 设计 方法进行了讨论。 由于n o c 本身是一种全局异步局部同步( o a l s ) 结构，本文针对时钟域中经常 遇到的时间抖动( j i t t e r ) 和时间偏差( s k e w ) 问题的产生原因和解决办法作了充分的阐 述和总结。本文还萍j n o c 中模块的内部时钟和模块与模块间的时钟进行了整理和分 析，并对域间时钟同步中常见的亚稳态问题进行了总结。最后本文设计了一种基 于格雷编码表示读写指针，对读写指针进行异步比较，采用译码读写指针的办法 区分空或者满的异步通信f i f o ，经过仿真验证表明该f i f o 基本解决了亚稳态问题。 关键词：n o c 拓扑模型时钟结构f i f o a b s t r a c t a b s t r a c t 皿e s ed a y s 。t h em i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yi si nac r i t i c a lm o l n e n t d r i y e nb yt h e d e m a n df o rh i g hd e n s i t ya n du h i m a t e l y1 0 wc a s t f r o mt h eb i r t ho f t r a n s i s t o ri n1 9 5 0 s t h ef e a t u r es i z eo f t e c h n o l o g i e si sc e a s e l e s s l ys h r i n k i n ga n dt h el i t h o g r a p h i cp r e c i s i o ni s b e c o m i n gb e t t e ra n db e t t e r , w e l lt h ed i ea r e ai se n l a r g e d o nt h ed e s i g nl e v e l t of u r t h e r r e d u c et h ec o s ta n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c e ，s y s t e m - o n - c h i p ( s o c ) h a sg a i n e dg r e a t i m p o r t a n c ea n di n t e r e s t n l ei d e ao fs o ci st oi n t e g r a t et h ew h o l es y s t e mo nas i n g l e c h i p t r a d i t i o n a l l yo n l yo n ec p u i si nt h eb u sa r c h i t e c t u r e w i mt h ed e v e l o p m e n t s 3 ，s t e n lt h e o r y , m u l t i c p ua r c h i t e c t u r et e n d st ob e m o r ea d v a n t a g e o u sa n da t t r a c t i v e i n 1 9 9 9 。s e v e r a lr e s e a r c hg r o u p sp r o p o s e daw h o l ed e wi d e ao fi n t e g r a t e de i r e u i t a r c h i t e c t u r e t h en e t w o r ko nc h i p f n o c ) n 圮c o r ei d e ai st ot r a n s p l a n tt h ek n o w l e d g e o fn e t w o r kt e c h n o l o g yo fc o m p u t e ri n t ot h ed e s i g no fc h i p ss u c ht h a ts y s t e m a t i c a l l y s o l v e st l l ep r o b l e m sd u et ob u sa r c h i t e c t u r e i nt h i sp a p e r , t h ed e s c r i p t i o no fr e c e n ta d v a n c e so fm i c r o e l e c t r o n i c si sp r e s e n t e d a n dt h ea r c h i t e c t u r eo fc u r r e n tn o cs y s t e ma n ds o m ea d v a n c e di d e a sr e l a t e dt on o ca r e s t u d i e d ，t h ep h y s i c a li n t e r c o n n e c t i o nm o d e l ，c r o s s b a ra n dt o p o l o g i c a lm o d e la n do t h e r a s p e c t so fn o ca r ea l s oa n a l y z e da n ds u m m a r i z e da n dn o cd e s i g nb a s e do n c o m m u n i c a t i o ni sd i s c u s s e d s i n c en o ci sb a s e do i lt h ea r c h i t e c t u r eo fg a l s t i m i n gi sa l li m p o r t a n ti s s u e 砸s p a p e ra n a l y z e st h ep r o b l e m so f j i t c e ra n ds k e w , t 1 1 e i rg e n e r a t i o na n dg i v e st h es o l u t i o nt o t h e m n l ci n t r a m o d u l ec l o c k i n g i n t e r - m o d u l ec 1 0 c k i n ga n dm e t a s t a b l ep r o b l e ma r ea l s o d i s e u s s e da n ds u m m a r i z e d f i n a l l y , ag r a yc o d er e a d w r i t ep o i n t e ri sr e a l i z e da n da 1 1 a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nf i f ow h i c hu s e se n c o d e rr e a d w r i t ep o i n t e r t o d i 髓r e n t i a t et h ee m p t ya n df u l ls t a t ei sd e s i g n e d s i m u l a t i o ns h o w st h a tm e t a s t a b l e p r o b l e mc a nb es o l v e du s i n gt h i sf i f 0 k e y w o r d ：n o c ，t o p o l o g i c a lm o d e l ，t i m i n ga r c h i t e c t u r e ，f i f o 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电予科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后应遵守此规定) 本人签名； 堑垂苎丝 日期：盘! 望：f ：兰苎 导师签名： 之骂瑟垒 日期：2 1 芝2 ：2 i ：兰兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 当前，人们正经历着一场新的技术革命。虽然第三次技术革命包括了新材料、 新能源、生物工程、海洋工程、航空航天技术和电子信息技术等等，但影响最大、 渗透性最强、最具有新技术革命代表性的是以微电子技术为核心的电子信息技术。 微电子技术发展的理论基础是1 9 世纪末到2 0 世纪3 0 年代期间建立起来的现代物 理学。从1 9 4 7 第一支半导体晶体管的发明，到1 9 5 8 年采用硅平面工艺的集成电 路( i n t e g r a t e dc i r c u i t , i c ) 诞生，直到目前正在发展中的s o c ( 系统芯片) ，半导体集 成电路一直遵循摩尔定律( m o o r e sl a w ) 的预言高速发展着。这种发展速度为人 类历史上所罕见，仅近4 0 年来，单个芯片上集成的晶体管数目就增加了数百万倍。 正是源于这种史无前例的发展速度，使得移动电话、彩色电视机、数码相机、个 人电脑、互连网络等高科技全面进入了寻常百姓家，迅速改变着人类的生产模式、 文化娱乐和生活方式。 1 2i c 行业的发展现状 集成电路的集成密度和性能在过去的2 0 年间经过了一场翻天覆地的革命。在 2 0 世纪6 0 年代，g o r d o n m o o r e ( 当时在f a i r c h i l d 公司工作，而后成为i n t e l 公司的合 伙奠基人) 预见了能够在一个单片上集成的晶体管数目将随时间按指数规律增长。 这一预见后来称为摩尔定律( m o o r el a w ) ，它已被证明具有超凡的想象力。从微 米到亚微米到现在己进入深亚微米d s m 和纳米阶段。每隔3 年它的集成度增加4 倍 特征尺寸缩小2 倍。很多人曾经预测这种发展趋势将减缓，但是微电子产业三十 多年来发展的状况证实t m o o r e 的预言。而且根据预测，微电子技术的这种发展趋 势还将继续下去，这是其它任何产业都无法与之比拟的。 目前，微电子技术已经发展到了一个很关键的时期。微电子技术发展的目标 是不断提高集成系统的性能及性能价格比。自5 0 年前发明晶体管以来，为了提高 电子系统的性能，降低成本，半导体的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高， 同时硅片面积不断增大。现在以9 0 纳米c m o s 工艺技术为主流的微电子技术已进入 大生产，2 0 0 4 年8 月3 0 日，i n t e l 正式对外宣布将于2 0 0 5 年生产基于6 5 纳米技术的电 脑芯片产品，并且带有7 0 m b 的s r a m 的测试芯片产品目前已经进入了生产阶段， 研究工作已经进入了4 5 纳米技术阶段。 很多人认为当半导体器件的特征尺寸在2 0 1 5 年达n 2 5 3 5 纳米的“极限”之后， 即认为是硅时代的结束。事实上，微电子技术除了以特征尺寸为代表的加工工艺 技术之外，设计技术、系统结构等方面还有很大发展空间，这些技术的发展必将 2 片上网络系统模型研究 使微电子产业继续增长。当前，s o c 是微电子技术发展的热点，通常定义为将微处 理器、模拟印核、数字i p 核和存储器集成在单一芯片上。整个系统中采用s o c 可以 减小芯片尺寸、增强系统功能、降低功耗。s o c 的设计技术是从“集成电路”级设 计到“集成系统”级设计转变的结果，其设计是从整个系统性能出发，把微处理 器，模型算法、外围期间乃至器件的设计紧密结合起来，并通过系统软件和硬件 的协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能。过去十年里，s o c 得到了快速的 发展。据d a t a q u e s t 预测，s o c 销售额将从2 0 0 2 年的1 3 6 亿美元，增长塑j 2 0 0 7 年的3 4 7 亿美元，年增长率超过2 0 。 1 3 s o c 的发展趋势一片上网络( n e t w o r k 0 1 1c h i p ) 总线结构是s o c 的主要特征。总线由于可以提供高性能的互连而被广泛运用。 然而随着工艺技术的持续发展，出现了一些与总线相关的问题，主要表现在以下 两个方面： ( 1 ) 可扩展性差 s o c 系统设计是从系统需求分析开始，确定硬件系统中的各功能模块。为了使 系统能够正常工作，s o c 中各物理模块在芯片上的相对位置是一定的，总线和时钟 网络以及其它全局信号总线都是针对这一具体需求进行专家的设计，从而才使得 s o c 芯片能够在深亚微米效应下正确工作。一旦在物理设计完毕后，发现了原来设 计中的某些错误或是不合理，那么再纠正错误的过程就可能是再一次的重新设计 的过程，不但浪费大量的人力物力，而且还有可能得不到正确的结果。 ( 2 ) 总线通信效率低 随着电路规模越来越大，片上集成的单元越来越多，数据处理量也越来越大， 总线结构的可扩展性差的问题就越来越突出；虽然总线可以有效地连接多个通讯 方，但地址资源总是有限的。有限的地址资源将成为扩大电路规模的瓶颈。另外 虽说总线由多用户共享，但一条总线是无法支持一对以上的用户同时通讯的。在 一对用户通信时，其他用户只能等待，传统总线结构的时间资源利用率是很低的。 ( 3 ) 单一时钟同步问题 在全局同步s o c 设计中，为了尽量避免时钟偏差给电路造成同步错误，在时钟 网络设计中大多采用多种时钟分布网络相结合的方法。尽管这样，基本相同的芯 片在不同工艺下得到的时钟偏差仍然不同。随着工艺特征尺寸越来越小，工作频 率迅速上升，达到1 0 g h z 以后，连线延时造成的影响将严重到无法设计全局时钟树 的程度。而且由于时钟网络的庞大，其功耗将占据芯片总功耗的大部分。由单一 系统时钟同步全芯片的工作将极其困难。 因而，1 9 9 9 年左右几个研究小组提出了一种全新的集成电路体系结构- n o c 第一章绪论 ( n e t w o r ko nc h 如) ，其核心思想是将计算机网络技术移植到芯片设计中来，从 体系结构上彻底解决总线架构带来的问题： ( 1 ) n o c 不仅具有良好的空间可扩展性，还提供了很好的并行通讯能力，势 必将成为替代总线通讯方式的一种理想的解决方案； ( 2 ) n o c 以分组交换作为基本通讯技术，采用全局异步局部同步( g l o b a l l y a s y n c h r o n o u sl o c a l l ys y n c h r o n o u s ，g a l s ) 的通讯机制；每一个资源节点都工作在 自己的时钟域，而不同的资源节点之间则通过通讯节点进行异步通讯，从而很好 地解决了单一时钟同步的问题。 目前，n o c 尚处于早期研究阶段，还没有任何使用n o c 概念研制的真实系统。 但是，从计算机发展的历史可以看到，从单机到网络的发展是必然的趋势，n o c 必将是s o c 之后的下一代主流技术，现在大力开展n o c 的基础理论研究是十分必 要的。 1 4 论文的主要工作和安排 本文从n o c 的体系结构入手，经过仔细阅读国内外大量文献，综合分析后， 对n o c 这一微电子领域的新技术有了初步的了解。经过总结，掌握了些相关领 域的知识。本文将主要针对n o c 体系结构、时钟网络等方面进行分析和研究。本 文工作的重点主要分为以下几章： 第一章：绪论。本章主要阐述当前微电子集成电路行业发展的现状以及所面 临的挑战。分析了当前s o c 技术面对不断复杂的系统所遇到的困难。同时，针对 困难，介绍了最新的发展方向n o c 的产生及现在的发展状况。 第二章：片上网络n e m o r ko nc h i p 。本章首先阐述了n o c 的基本概念。 然后从n o c 整体出发，详细地介绍了n o c 的体系结构。并对其中的物理连线模型、 通讯节点以及通讯中的拓扑结构作了仔细的分析和总结。最后针对通讯条件下对 n o c 的设计流程进行了讨论。 第三章：同步电路中的时序问题。该章主要是针对同步电路中经常出现的时 钟偏差和时钟抖动问题作了总结和分析。对其产生的原因进行了详细的讨论。最 后给出了解决的办法及公式。 第四章：n o c 时钟域及设计。该章对n o c 体系结构中的域内时钟和域间时钟 进行了分析和总结。并针对n o c 中混合时钟域中的设计进行了分析和讨论。并对 跨时钟域中经常遇到的亚稳态问题进行了介绍。对亚稳态的产生原因及解决办法 作了总结。最后给出了处于亚稳态的信号在不引起系统错误的情况下可以保持亚 稳态的最长时间的经验公式。 第五章；n o c 中跨时钟域的亚稳态处理。在该章中，文章针对n o c 时钟域中 4 片上网络系统模型研究 的亚稳态问题设计了一种基于格雷编码表示读写指针，对读写指针进行异步比较， 采用译码读写指针的办法区分空或者满的异步通信f i f o ，并给出其仿真验证结果。 第二章片上网络n 朗v o r ko i lc h i p 第二章片上网络n e t w o r k0 1 1c h i p 2 1 引言 集成电路设计效率的增长率总是滞后于芯片集成度的增长率，造成了芯片集 成度和设计效率之间著名的“剪刀差”，并且它们之间的差距还在继续增大。重 用设计方法学是缩短“剪刀差”的有效途径，各个层次的电路功能模块的重用有 效地弥补了设计效率的差距。但是随着电路规模成指数增长，现有重用单元的电 路规模依然不够大，缩短“剪刀差”仍然是个问题。集成电路设计方法学的发展 史，就是一个不断扩大重用单元规模的过程，前一个阶段的“产品”将成为下一 个阶段的重用单元。 进入2 1 世纪以后，9 0 纳米和6 5 纳米工艺相继投产，纳米时代开始了。i t r s ( 国际半导体技术蓝图) 曾在2 0 0 5 年预测，未来的高端定制的v l s i 结构将通过 小于5 0 n m 的技术实现，周期在1 0 - - 2 0 g h z 的范围内。每个单个的芯片上可以包含 大量的高度集成的处理模块，它们之间的传输将以g b i t s s 进行。单一处理器及总 线结构是无法驾驭如此庞大的电路规模的。试可想象，当片上集成数十甚至数百 个处理器联合工作时，仅仅众多微处理器之间的协同验证工作就极其困难。而n o c 通过通讯节点连接资源节点，每个资源节点只要符合片上通讯协议即可。在集成 多个微处理器单元时，以通讯协议为核心的n o c 设计方法所特有的高设计效率将 发挥巨大的优势，为缩短剪刀差提供了一个有效的解决方案。 随着系统性能的提高，片上集成组件的复杂度也在提高，全局连线上信号的 传播需要好几个时钟周期，时钟偏差( c l o c ks k e w ) 也变得很难精确控制，而且时 钟网络的功耗将占据芯片总功耗的大部分。片上整体信号的延迟跨越了多个时钟 周期，信号的完整性增加的r c 作用，电感、耦合电容等影响着信号的集成。巨大 的信号延迟使得同步通信无法实现。n o c 以分组交换的通信技术，采用全局异步 局部同步( g l o b a l l ya s y n c h r o n o u sl o c a l l ys y n c h r o n o u s ，g a l s ) 的通讯机制：每一 个资源节点都工作在自己的时钟域，而不同的资源节点之间则通过通讯节点进行 异步通讯，从而很好的解决了问题。 n o c 是一个崭新的话题，在国际上刚刚起步。随着技术的不断发展，越来越 多的研究机构意识到n o c 的潜力，纷纷投入到其中并推动着它的发展，使得n o c 成为了一个十分活跃的技术前沿领域。目前还没有任何使用n o c 概念研制的真实 系统，但是存在一些试验性的n o c 。国内目前在该领域尚未发现研究成果。n o c 作为一个崭新的集成电路体系，它的出现无疑为中国集成电路设计方法学提供了 一次很好的机遇。如果中国能够及时有效的开展n o c 学术领域的前沿工作，将为 大量创新成果的出现提供一个空间。 6 片上网络系统模型研究 2 2 n o c 基本概念 n o c 的研究开始于1 9 9 9 年，初期探索s o c 通信部分的系统级设计方法，之后 不久变涉及到从物理层设计到体系结构、操作系统以及应用等各个层面。目前的 n o c 概念很宽泛，包括硬件通信结构、中间件、操作系统通信服务以及设计方法 和工具等。从系统结构角度看，n o c 研究的重点在于拓扑结构、通信协议、服务 质量和系统低功耗等。 n o c 的提出是借鉴并行计算机的互连网络。并行计算机的互连网络是一个板 级的网络，而n o c 是一个单芯片上的网络。n o c 与并行计算机的互连相比有很多 相同的特点：都支持包通信、可扩展、提供透明的通信服务等，同时也有很多不 同于并行计算机互连网络的地方。下面从网络拓扑结构、协议、服务质量等方面 对n o c 进行基本描述。 网络拓扑结构：在n o c 中，普遍使用也是最适合的网络结构是信息包交换的 直接网络。每个节点通过双向通道连接到相邻的节点。直接网络有四个属性：a ) 节点度：一个节点与相邻节点连接通路的数目；b ) 直径：网络中两个节点之间的 最大距离；c ) 规整性：若所有节点度都相等，那么该网络是规整的；d ) 对称性： 如果网络从每一个节点看都是一样的，则该网络是对称的。在并行计算机中，互 连网络是对称的和规整的，这是由高性能计算的特点决定的。而s o c 主要应用在 嵌入式系统领域，其网络既不是对称的也不是规整的。n o c 是异构的，连接不同 的处理部件( r i s c 处理器、v l i w 处理器、d s p 处理器、专用处理器等) 和存储 部件( r a m 、f l a s h 等) ，通信量的分布也是不均匀的。在大规模的片上系统中， n o c 也不是单一的拓扑结构，很可能是一种层次化的混合网络拓扑结构，通信密 集的组件组合在一起，构成一个子网络，以实现高效的通信。 协议：n o c 的通信协议比总线协议要复杂得多，为了便于扩展，往往采用分 层的网络协议。协议的每一层提供特定的功能和接口。路由和数据流大小是n o c 协议的重要问题。为了有效和公平地利用网络资源，通常先把信息包分隔成数据 流再进行传输。数据流是最小的通信单位，数据流头中包含了目的地址和顺序信 息。如果数据流要经过一个或多个中间节点到达目的节点，路径的选择由路由算 法决定。在每一个中间节点，路由算法指出下一步要使用的通道，该通道可以从 多个可能的通道中选择。如果所有候选通道都忙，数据流就被阻塞，不能再前进。 有效的路由对互连网络的性能十分关键。路由算法要考虑网络的连通性，自适应 性、死锁和活锁的可能性以及容错等问题。在片上网络中，如果网络的路由是可 以预先得到的，就可以提前更新路由表，进行路由的预调度。在n o c 中，数据流 大小的选择也是很重要的。这与特定应用有关。如果一个信息包分成太多的数据 流，在目的节点进行数据流重组，会带来很大的处理负担。相反，如果数据流太 第二章片上网络| n e 铆o r ko nc h i p 一7 大，数据流被阻塞时，在虫洞切换方式下，会造成网络的很多通路被占用从而 造成其它的网络通路阻塞，会对整个系统的性能造成很大的影响。数据流的大小 也与路由部件的缓冲区大小有关。与并行计算机的互连网络不同，n o c 没有专门 的协议处理机，协议必须由硬件处理，这就要求n o c 协议不能太复杂。n o c 的 另一个重要特征是低功耗，这是并行计算机互连网络中不关心的，这也要求n o c 协议的设计必须考虑到低功耗的需求。 服务质量：在n o c 的路由决策时，可以提供服务质量，对关键部件的网络带 宽或者延迟进行保证，没有被保证的通信采用尽力而为的路由策略。此外，在纳 米深亚微米c m o s 工艺下，串扰和压降等问题使得部件之间的连线是不可靠的， 可能会造成数据传输的错误或丢失。为了保证可靠的数据传输，当遇到数据错误 时，需要进行重传。n o c 通过数据流控机制来保证服务质量。 尽管我们可以看到n o c 在片上通信方面相比共享总线技术有着很大的优势， 然而可以想象n o c 并不会完全取代共享总线技术，事实上为了达到性能与复杂性 的平衡，它们会相互结合并存在c m p 系统中，比如在局部范围内仍然采用总线方 式以达到较高的通信速度和较低的复杂度，而在全局范围内采用n o c 以减少全局 同步的需求、增加数据带宽并达到较高的信号可靠性。 2 3 n o c 体系结构 n o c 目前还处于研究的初级阶段，全世界各地的研究机构和人员对n o c 的理 解虽有差异，但有一点是相同的：借鉴并移植计算机网络通讯中的概念和方法， 用于多个子系统( 可以理解为现有规模的s o c ) 或婵的集成。 图2 1 ( a ) 给出了n o c 模型的概念示意图，系统主要是由两个部分组成：处 理单元( p r o c e s s i n ge l e m e n t ) 和负责p e 之间信息交换的通讯节点。一般处理单元 可以是处理器、可复用器件、存储器、i o 设备等。通讯节点负责资源节点之间的 信息交换，如路由器。图2 1 ( b ) 中给出了一个单个路由的基本结构。1 1 】 图2 i ( a ) ：n o c 中p e 、路由器布局 ( b ) ：路由连接 x + 黼 8 片上网络系统模型研究 2 3 1 物理连线 在n o c 中，物理连线包括互连网络中路由器元件之间通信的数据线和控制线。 互连线的功耗和性能决定于它的宽度( 数据及控制信号的位数) 、长度和路由器的 负载能力。在计算功耗时，可以假设路由间的连线为n 位，我们将n 位的连线按 三线、二线、一线将其划分，见图2 2 。 图中分别是n 为奇数和偶数时的划分方法。在计算连线的功耗的时候，可以通过 相加s o ，s 1 ，s 2 ，和s 3 几个三线组的功耗再减去a ，b ，c 三个单线组各自的功 耗求得。如果是右边的8 位宽的连线，两线组s 3 的功耗也包含在计算中。物理连 线的长度是能耗和性能中的一个主要的因素，设计者在设计时必须详细考虑。【2 1 a b c v f1 0 1 j 厂、 v f1 0 口ij v f1 连线数为奇数连线数为偶数 总功= e ( s o ) + e ( s 1 ) + e ( s 2 ) + e ( s 3 ) - e ( a ) - e ( b ) - e ( c ) 图2 2 连线性能分析 2 3 2n o c 通讯节点 a b c 通讯节点是互连网络中的主要部分，其核心就是交换开关。如网络中的路由 器，其主要作用是寻找出信息从起点到终点的最短最有效的路径。在数据传输中， 有两种路由方式可供设计者选择：确定性路由( d e t e r m i n i s t i cr o u t i n g ) 和自适应路 由( a d a p t i v er o u t i n g ) 。但是对于n o c 设计，自适应路由规则并不适合。这并不是 考虑自适应路由中路由表的存在，而是由在计算升级和维持信息的复杂度决定的。 在n o c 中，路由器是其核心部件。因为减少了网络缓存数量，数据包的延时与 源和目的端之间的距离无关，虫洞路f l j ( w o r m h o l em u t i n g ) 广泛用于n o c 通信。数据 包被分解成流量控制单位( n i t ) ，然后，流量控制以一个一个的f l i t 为单位运行。下 面本文就简单的介绍一种基于2 d m e s h 结构的虫洞路由器。其结构见下图2 3 。 第二章片上网缮n e t 、v o r ko nc h i p 9 图2 3 虫洞路由器结构 路由器由x 正向、x 负向、y 正向、y 负向和与处理器交流的五个单位路由嚣组 成。每个单独的路由器通过一个5 * 5 的交叉开关( c r o s s b a r ) 相连接。路由器之间以 及处理单元与相应路由器之间的数据通过异步的协议进行传输。每个路由器由输 入连接控制器( i p u tl i n kc o n t r o l l e r s ) 、输出连接控制器( o u t p u tl i n kc o n t r o l l e r s ) 、 虚通道( v i r t u a lc h a n n e l s ) 、一个头译码器( h e a d e rd e c o d e r ) 和一个判决器( a r b i t e r ) 组成。 信息被分为固定长度的信息包，然后分成数据流进行传输。每个信息包由三 部分数据流组成：头部分( h e a d e rf l i t ) 、数据部分( d a t af l i t ) 和尾部分( 碱lf l i t ) ， 控制信息区分其属于哪部分。头数据流包含着每个信息包的目的路由器( x ，y ) 的信息。 1 0 片上网络系统模型研究 x y 路由算法能够有效的避免死锁，而且复杂度低。假设给n o c 的域标上坐标， 左角为( o ，o ) ，右上角为( n ，n ) 。在数据传输过程中，交换节点将自己的坐标( x ，y ) 同分组中的目的地址( a b ) 比较。如果x a ，则将分 组往左转发；如果x ；a ，y b 贝e j 将分组往下发；如 果x = a y = b ，则将分组发往与它相连的p e ，由其所对应的p e 处理信息包。 s l 2 3 3n o c 拓扑结构 在n o c 的定义中，狭义的n o c 定义指的就是除了资源节点以外的通讯节点网 络，包括交换开关、交换开关之间的连接方式以及n o c 通讯的协议模型。简单的 说，狭义的n o c 就只是一个“网”，但是也必须具备完整的“网”的功能：如通讯 协议等。它体现了n o c 中通讯节点是如何分布和连接的。由于系统需求、节点模 式的尺寸和不同的位置，需要不同类型的拓扑结构。良好的结构必须考虑以下因 素： ( 1 ) 通讯节点与资源节点或者通讯节点之间的通讯带有明显的“本地相邻”特 征。 ( 2 ) n o c 中资源节点的物理尺寸与通讯节点的物理尺寸相互影响。 ( 3 ) n o c 使用物理连线作为通信信道，因此节点之间的连接不能太复杂，且要 具有易扩展性。 本文总结了目前n o c 研究中采用过的拓扑结构类型，下面将简单介绍几种不 同的拓扑结构。对于研究而言，不应仅局限于以下几种类型。 ( 1 ) 蜂窝结构( h o n e y c o m b ) 蜂窝结构如图2 4 所示。资源节点和通讯节点的比例为3 ；一个资源节点 与三个资源节点和三个通讯节点相连；一个通讯节点与六个资源节点和六个通 讯节点相连。相比其他拓扑结构，其连线资源比较紧张。 图2 4n o c 蜂窝结构h o n e y c o m b 第二章片上网络n e t w o f ko n c h i p ( 2 ) 二维网状网络( 2 d m e s h ) 二维网状网络是目前研究中最常用的拓扑结构。其结构是每一个资源节点 与一个通讯节点相连，而一个通讯节点与四个相邻的通讯节点和一个资源节点 相连。通讯节点实现路由功能，并作为每个相邻的资源节点的网络接口。如图 2 ，5 所示。 图2 5n o c 二维网状网络2 d - m e s h ( 3 ) 环面网络结构( t o m s ) 2 d 环面( 2 d t o m s ) 是在2 d 网格结构基础上的一个变形。如图2 6 ( a ) 。 在这种结构中，每一个节点仍然是与四个临近节点相连，一侧的节点可以直接 将数据发送至0 另一侧的节点，这种结构需要折叠v l s i ( f o l d e dv l s i ) 技术， 连线的最长跨跃为2 个节点。和2 d 网格结构相比，每个节点的连线数依旧是 1 0 条。逻辑上相连的路由在物理上不相连，它们之间的互连线不仅要穿越自身 的一个p e ，而且要在穿越另一个路由和p e 。这样。长的互连线就会产生更大 的功耗，但是对时序的影响不大。另一种结构叫做旁路环面结构( b y p a s s t o m s ) ，在连线上更加繁密，类似于一个方形。如图2 6 ( b ) 。它的网络结构密 度更高，每一个节点不仅仅于自己的临近节点相连，并且与相隔的节点相连， 每个节点共有1 8 条连线。 ( a ) 2 d 环面( 2 dt o m s ) ( b ) 旁路环面结构( b y p a s st o m s ) 图2 6n o c 的拓扑结构 片上网络系统模型研究 用来描述一个拓扑结构的特征，并影响其性能的而又彼此关联的参数有：直 径( d i a m e t e r ) 、连结度( e o n n e c t i v i 够) 、带宽( b a n d w i d t h ) 和延时( 1 a t e n c y ) 。直径指的是 连接任意源节点与目标节点对之间的最大节点数。连结度是指网络中与每个节点 直接相邻的节点数。带宽是指网络中信息的最大流量。延时则是信息从源传输到 目的地所花费的时间。在众多拓扑结构中，从特征参数来看，规则的2 d m e s h 结构 并不是最优的，但是因为其结构简单、易于实现和良好的复用性，大多数的研究 人员都选择2 d m e s h 作为研究对象。【l j 嗍 2 3 4n o c 资源节点 n o c 中允许存在任意类型的资源节点，典型的资源节点可以是带缓存的嵌入式 微处理器和d s p 核、专用硬件资源、可重构硬件资源，或者是上述各种硬件的组合。 计算类的资源节点以微处理器核、d s p 核等形式存在，而存储类的资源节点则要求 尽可能的分散，以避免访问数据时要跨越整个芯片。各种尺寸的s r a m s 、d r a m s 、 f l a s h 满足了不同的需求。 2 4 1n o c 设计 2 4 基于通讯的n o c 设计 目前的n o c 设计采取计算和分离的方法：资源节点执行计算任务，然后将需 要发送的数据传输到网络后就不再关心数据的传输；而通讯节点负责数据的传输， 将要传输的数据从源点沿着一定的路径发送到终点。由于通讯节点的功能有限， 从现有的研究来看，尽管对通讯节点的研究很多，但也只是局限于一个通讯节点 与其紧密相邻的节点间的关系，只能实现局部最优。 理想的情况是在数据从资源节点( 源点) 准备发送时，已经确定了从源点到 终点的所要经过的路径，并且如果多个数据并行传输，也已经在传输前合理地为 并行数据传输分配好路径，使它们之间没有冲突，并且避开负载较大的路径。而 对于突发的数据传输请求，则希望在资源节点发出数据传输请求后，在可以接受 的时间内，就可以根据网络实时的负载变化情况，确定出数据从源点到终点的最 优路径。这种情况就很类似于基于通讯的设计方法：进程执行完任务，需要数据 传输，然后调用接口程序执行数据通讯。 总而言之，希望n o c 既能合理安排预先知道的数据通讯，又能快速的处理突 发的数据通讯。本文将预先安排好的数据通讯统一成为静态通讯( s t a t i c c o m m t m i c a t i o n ) ，突发的数据通讯成为动态通讯( d y n a m i cc o m m u n i c a t i o n ) 。下 第二章片上网络- n 眈w o r k0 1 1c h i p 1 3 图2 7 是一种n o c 的设计方法。其中处理单元( p r o c e s s i n gb l o c k ) 作为通讯中枢 ( c o m m u n i c a t i o nc e n t r u m ) ，主要执行处理单元映射( 包括了静态通讯分配) 和 动态通讯的即时处理等功能。根据不同的系统约束条件，该处理单元既能以软件 形式实现，也能以硬件形式实现，或者是软硬件协同实现。 图2 7 基于通讯的n o c 设计流程 根据应用来设计一个n o c 需要执行下面的步骤： 1 将应用说明转换为通讯任务图： 2 根据现有的m 库和任务的属性，进行任务分配和调度，将通讯任务图中的 每个任务分配到相应的处理单元，得到应用特征图； 3 根据应用特征图中各任务的执行次序和它们之间的通讯任务的约束要求和 执行次序，将处理单元分配到不同的可利用的资源节点，得到n o c 体系结 构说明：同时确定了应用特征图中所有静态通讯的路径，得到网络通讯服 1 4 片上网络系统模型研究 务表( 包含了执行整个应用特征图期间的静态通讯路由信息) ，并将所有数 据和路由信息传送给通讯中枢。通常的可行的方法兢是先执行步骤2 ，根 据要求得到一个最优解，然后执行步骤3 ，得到最终的设计。当然，这种 方法存在着一定的问题：两个局部最优解并不能保证得到全局最优解。但 是如果想同时执行步骤2 和3 得到一个全局最优解的话，将对映射算法提 出了更高的要求，尤其是映射算法的执行时间。 4 根据n o c 体系结构说明设计n o c 2 4 2 关键技术 基于通讯的n o c 设计方法的目的是为了使得n o c 工作得更加有序，减少网络 通讯的拥堵现象，保证网络通讯的畅通，从根本上提高n o c 执行任务的效率。尽 管与目前已有的n o c 的设计方法相比，这里提出的方法的硬件开销可能是最大的 ( 如果采用复用n o c 上的微处理器核承担通讯中枢的职责，就不会增加硬件开销， 但信息的处理将变得更为复杂) ，但重要的是这种方法能够满足n o c 在功耗、效率 等方面的要求，而且在保证任务执行的高效率的同时降低n o c 的功耗。 如何尽量提高信息处理的速度，降低通讯中枢与n o c 之间的通讯的延时，保 证通讯中枢与n o c 之间通讯的方便、迅速是通讯中枢设计成功的关键。 ( 1 ) 任务分配与任务调度 任务分配就是将通讯任务图中的每个任务分配到合适的处理单元上；然 后，安排每个处理单元上的任务执行顺序，成为任务调度。这一步是典型的多 处理器系统中的关键设计步骤，j m c h a n g 等人提出了利用动态规划( d y n a m i c p r o g r a m m i n g ) 算法已经很好地解决了这一问题。 ( 2 ) 网络分配( n e t w o r ka s s i g n m e n t ) 包括处理单元映射( p r o c e s s i n ge l e m e n t sm a p p i n g ) 和路径分配( r o u t i n g p a t h a l l o c a t i o n ) ，这是芯片设计者所面临的新问题，特别是映射对系统功耗有 很大的影响，而路径分配对系统的执行时间又有着重要影响。 ( 3 ) 动态通讯最优路径分配 在对静态通讯进行路径分配时，对实时性的要求不是很高，因此只要对现 有的最短路径算法稍作改进即可应用；但是对于n o c 动态通讯而言，其实时 性要求很高，而现有的最短路径算法主要应用于计算机网络、通信网络和交通 网络，并且这些网络的时间要求和n o c 有着很大的不同；如果交通网络的允 许时延的单位以分钟来计，那么n o c 的时延则是以毫秒甚至更短的时间单位 来计算。因此，最优路径选择算法的执行时间对于系统而言至关重要。 除了最优路径算法之外，n o c 片内与通讯中枢的通讯( 包括动态通讯请求 第二章片上网络- n e t 、o f ko nc h i p 信息和数据、路径配置信息) 对系统性能也有很重要的影响，需要仔细设计来 缩短传输时间。 总的来说，通讯中枢的执行时间是最重要的参数，同时提高采样速度、信 息处理速度和结果传输速度会获得较理想的性能。 ( 4 ) 通讯中枢的实现形式 虽然通讯中枢是n o c 片外实现，但其实通讯中枢的功能完全可以集成到 n o c 内，选择n o c 中一个合适的资源节点作为通讯中枢，从全局上控制整个 n o c 的运行。这样做的好处是减少了n o c 与片外的通讯，加快了信息的处理， 减少了硬件开销；缺点是增加了n o c 片内通讯，需要更好的设计控制程序， 以避免片内通讯出现拥堵。 2 5 小结 本章从n o c 的体系结构出发，对n o c 中的基本处理单元( p r o c e s s i n g e i e m e m ) 进行了结构分析。对模型中的物理连线作了分析，给出了一种针对互连线功耗的 计算方法，并给出了计算公式。在对n o c 网络节点的分析中，详细地介绍了网络 节点的