（计算机应用技术专业论文）网络化mpsoc高能效设计技术研究.pdf

摘要 摘要 片上系统( s y s t e m 。o n - c h i p ，s o c ) 已广泛应用于网络通信、信号处理、多媒 体等嵌入式电子产品中，但单处理器s o c 无法满足应用领域日益增长的计算能力 需求，m p s o c ( m u l t i p r o c e s s o rs o c ) 成为高性能嵌入式系统的实现平台。随着集 成电路技术的快速发展，单个芯片上的晶体管数目将会达到数十亿个，可以集成 数百个异构的i p 核，传统的总线结构在可扩展性、通信效率、功耗等方面不再适 用，通信成为m p s o c 突出的性能瓶颈。片上网络( n e t w o r k o n - c h i p ，n o c ) 作为 解决复杂的片上多核通信问题的全新设计模式，为嵌入式系统设计方法学带来了 新的机遇和挑战。同时，为延长电池使用时间、降低芯片封装和冷却费用、提高 系统可靠性，高能效已成为基于n o c 的m p s o c ( 简称网络化m p s o c ) 设计中的 首要因素。 本文首先总结了嵌入式系统的设计方法，分析了n o c 的设计特点，针对可重 用的m p s o c n o c 平台，提出了一种高能效网络化m p s o c 的系统级设计流程。在 此基础上，面向低成本、硬实时、高性能、高可信的嵌入式应用，采取不同的能 耗优化技术，重点解决了以下四个关键问题：( 1 ) m p s o c 计算平台的软硬件划分、 ( 2 ) 固网n o c 平台的映射、( 3 ) 硬网n o c 平台的路由与链路电压分配和( 4 ) 软 网n o c 平台的软硬件协同综合。 本文主要的贡献与创新之处包括： ( 1 ) 针对基于可重用组件的m p s o c 软硬件划分问题，提出了一种采用自动 波竞争神经网络的优化算法。首先将m p s o c 软硬件划分转化为图论中的多约束最 短路径问题，然后对神经网络中的自动波机制重新进行了设计，从组件库中为每 个任务模块选择合适的软件构件或口核，在系统成本和实时性约束下，使得m p s o c 的功耗最优。本算法具有并行化、无参数、易于硬件实现等优点，可获得m p s o c 软硬件划分问题的最优解。 ( 2 ) 针对二维网格n o c 中通信时延受限的低能耗映射问题，提出了一种改进 的禁忌搜索算法t s n m 。t s n m 基于集中和分散机制，将r o b u s tt a b us e a r c h 与 c o h x 交叉操作融合，具有搜索效率高和优化性能好的优点，适合于求解大规模 n o c 映射问题。 ( 3 ) 针对树拓扑n o c 中通信时延受限的低能耗映射问题，提出了一种递归的 摘要 二路划分算法r p m 。r p m 采用分而治之策略，使用改进后的k e m i g h a n l i n 算法 实现i p 核通信任务图的最小割划分，在较短的运行时间内获得了性能优异的n o c 映射解，可用于获得高质量的优化结果或n o c 设计空间探索的快速内部迭代。 ( 4 ) 针对链路电压可调整的n o c 平台，提出了一种可靠性感知的通信链路能 耗优化算法。考虑了低电压对电路瞬时故障率的负面影响，将通信可靠性与能耗 折中设计引入到n o c 的路由和链路电压分配中，设计了一个新的能效变化率驱动 的启发式电压分配算法，与基于禁忌搜索的路由分配相结合，在确保n o c 通信可 靠性和带宽约束的同时，可以有效降低链路的通信能耗。 ( 5 ) 针对支持电压岛的层次化n o c 平台，提出了一种基于嵌套遗传算法的软 硬件协同综合算法。面向可信嵌入式实时m p s o c 应用的完整设计流程，通过资源 分配、任务指派、聚簇映射、任务调度以及电压调整等设计步骤，可以有效降低 n o c 系统的计算与通信能耗，实现能耗与可靠性的多目标优化，更适合于异构层 次化n o c 系统综合。 目前，国内外对m p s o c n o c 设计方法学的研究还处于初步发展阶段，存在许多有 待解决的问题。本文提出的网络化m p s o c 高能效设计方法和优化算法，为下一代基于 n o c 的嵌入式多核系统的设计自动化提供了新的技术和思路。 关键词：嵌入式系统，高能效设计，多处理器片上系统，片上网络，m 核 a b s t r a c t a b s t r a c t s o c s ( s y s t e m o n c h i p s ) h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e d i ne m b e d d e de l e c t r o n i cd e v i c e s f o rc o m m t m i c a t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n dm u l t i m e d i a s i n c eu n i p r o c e s s o rs o cc o u l d n o ts a t i s f yt h eg r o w i n gc o m p u t a t i o nr e q u i r e m e n t so f s u c ha p p l i c a t i o n s ，m ps o c ( m u l t i p r o c e s s o rs o c ) p l a t f o r m sh a v ee m e r g e df o rh i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e ds y s t e m s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi ct e c h n o l o g i e s ，t h e r ew i l lb eb i l l i o n so ft r a n s i s t o r sa n d h u n d r e d so fh e t e r o g e n e o u s1 pc o r e so n as i n g l ec h i p d u et op o o rs c a l a b i l i t y , c o m m u n i c t i o np e r f o m a n c ea n de n e r g ye f f i c i e n c y , b u sw i l ln o ts u i t ef o rm p s o c s ，s ot h e i n t e r c o n n e c ts u b s y s t e mw i l lb et h eb o t t l e n e c ko fs u c hc o m p l e xm p s o c s a san e w p a r a d i g m ，n o c s ( n e t w o r k - o n - c h i p s ) h a v eb e e np r o p o s e dt o o v e r c o m et h ec o m p l e x o n c h i pm u l t i c o r ec o m m u n i c a t i o np r o b l e m s ，p r o v i d i n go p p o r t u n i t ya n dc h a l l e n g e st o d e s i g nm e t h o d o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e m s f o rt h es a k eo fe x t e n d i n gt h e l i f e t i m eo f b a t t e r i e s ，r e d u c i n gt h ec o s to fp a c k a g ea n dc o o l i n g , a n di m p r o v i n gr e l i a b i l i t y , e n e r g y e f f i c i e n c yh a v eb e e nt h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro fn o c - b a s e dm p s o c s i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ed e s i g nm e t h o d o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e m si ss u m m a r i z e d ， a n dt h ed e s i g nm e t h o d so fn o c sa r ea n a l y z e d 。t h e nan o v e ls y s t e m - l e v e ld e s i g nf l o w f o re n e r g ye f f i c i e n ta n dn o c - b a s e dm p s o c si sp r e s e n t e d m o r ep r e c i s e l y , i nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r s ，4k e yd e s i g np r o b l e m sa l ei d e n t i f i e da n ds o l v e df o re m b e d d e d a p p l i c a t i o n sw i t hl o wc o s t ，h a r dr e a l t i m e ，h i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g hd e p e n d a b i l i t y r e q u i r e m e n t s t h e s ep r o b l e m si n c l u d e ：( 1 ) h a r d w a r e - s o f t w a r ep a r t i t i o n i n go f m p s o c c o m p u t a t i o np l a t f o r m ，( 2 ) i pm a p p i n go ff i r mn o cp l a t f o r m ，( 3 ) r o u t i n gp a t h a l l o c a t i o n a n dl i n k sv o l t a g ea s s i g n m e n to fh a r dn o cp l a t f o r m ，( 4 ) h a r d w a r e 。s o f t w a r ec o s y n t h e s i s o fs o f tn o cp l a t f o r m s i i lm i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a i nw o r k sa n dc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) ah a r d w a r e s o f h , v a r ep a r t i t i o n i n ga l g o r i t h mu s i n ga u t o w a v ec o m p e t i t i o n n e u r a ln e t w o r k si sp r o p o s e df o rm p s o c sb a s e do nr e u s a b l ec o m p o n e n t s t h e p a r t i t i o n i n gp r o b l e mi sf o r m u l a t e da sa m u l t i c o n s t r a i n e ds h o r t e s tp a t hp r o b l e m t h e a u t o w a v e sa r ed e s i g n e ds p e c i a l l yt os o l v et h es h o r t e s tp r o b l e m so p t i m a l l y f i n a l l y , e a c h t a s km o d u l eo ft h es y s t e mi sa l l o c a t e das o f t w a r ec o m p o n e n to ri pc o r ef r o mt h e i ! i a b s t r a c t c o m p o n e n t sl i b r a r y , s u c ht h a tt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h em p s o ci sm i n i m i z e d s u b j e c tt oc o s ta n dt i m i n gc o n s t r a i n t s t h i sa l g o r i t h mc o u l do b t a i ng l o b a l l yo p t i m a l s o l u t i o n s ，a n di t sp a r a l l e la n dn o n p a r a m e t e r i t se a s yt oi m p l e m e n tt h en e u r a ln e t w o r k b y v l s i ( 2 ) a ni m p r o v e dt a b us e a r c ha l g o r i t h m ，c a l l e dt s n m ，i sp r o p o s e df o rl o w e n e r g y m a p p i n gp r o b l e mo f2 dm e s hn o c ss u b j e c tt oc o m m u n i c a t i o nl a t e n c yc o n s t r a i n t s b a s e do n “i n t e n s i f i c a t i o na n dd i v e r s i f i c a t i o n m e c h a n i s m t s n mm e r g e sr o b u s tt a b u s e a r c ha n dc o h xc r o s s o v e ro p e r a t o r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt s n mc a ng i v e b e t t e rq u a l i t ys o l u t i o n sa n ds m a l l e rs e a r c h i n gs p a c e ，s oi t i sm o r ee f f i c i e n tt os o l v e l a r g e s c a l en o cm a p p i n gp r o b l e m s ( 3 ) ar e c u r s i v eb i p a r f i t i o n i n ga l g o r i t h m ，c a l l e dr p m ，i sp r o p o s e df o rl o w e n e r g y m a p p i n gp r o b l e mo ft r e eb a s e dn o e ss u b j e c tt oc o m m u n i c a t i o nl a t e n c yc o n s t r a i n t s r p mi sa l le f f i c i e n td i v i d e a n d c o n q u e ra p p r o a c ha n dc a l l sm o d i f i e dk e r n i 曲a n l i n h e u r i s t i ct op e r f o r mm i n c u tp a r t i n t i o n i n go fi pc o r ec o m m u n i c a t i o nt a s k g r a p h s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tr p mo b t a i n sl o w e re n e r g ym a p p i n gs o l u t i o n sa n di ti s v e r yf a s t i ti ss u i t e dt ob o t hp r o d u c i n ge x c e l l e n tr e s u l t sa n dq u i c kn o cd e s i g ns p a c e e x p l o r a t i o nb yt u n i n gt h ep a r a m e t e ro fr p m ( 4 ) ar e l i a b i l i t y - a w a r ee n e r g yo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rn o cw i t h v o l t a g es c a l a b l el i n k s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fr e d u c e dv o l t a g eo nf a u l tr a t e s ，t h i s a p p r o a c ha c h i e v e se n e r g y r e l i a b i l i t yt r a d e - o f fw h e np e r f o r m i n gr o u t i n gp a t ha l l o c a t i o n a n dl i n k sv o l t a g ea s s i g n m e n t an o v e le n e r g y - e f f i c i e n c yg r a d i e n td r i v e nh e u r i s t i ci s d e v e l o p e dt oa s s i g nt h ev o l t a g e sf o rt h el i n k sd u r i n gt a b us e a r c hb a s e dg l o b a ld e s i g n s p a c ee x p l o r a t i o no fr o u t i n gp a t ha l l o c a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r e s e n t e dm e t h o d c a ne f f i c i e n t l y g u a r a n t e e t h ec o m m u n i c a t i o n r e l i a b i l i t y a n d b a n d w i d t hc o n s t r a i n t s ，a n do b t a i ns i g n i f i c a n te n e r g ys a v i n g so fc o m m u n i c a t i o nl i n k s ( 5 ) ah a r d w a r e s o f t w a r ec o s y n t h e s i sa l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rv o l t a g ei s l a n d s b a s e dh i e r a r c h i c a ln o cs y s t e m s an o v e ld e s i g nf r a m e w o r kb a s e do ni t e r a t e dg e n e t i c a l g o r i t h mi sd e v e l o p e df o rt h ec o m p l e t ec o s y n t h e s i sf l o wo fd e p e n d a b l ee m b e d d e d r e a l t i m em p s o c a p p l i c a t i o n s t h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e a u t o m a t i c a l l yp e r f o r m sr e s o u r c ea l l o c a t i o n ，t a s ka s s i g n m e n t , c l u s t e rm a p p i n g ，t a s k s c h e d u l i n ga n dv o l t a g ea s s i g n m e n tt ot r a d e o f fe n e r g ya n dr e l i a b i l i t yo fn o cs y s t e m s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dd e s i g nt e c h n i q u ep e r f o r m ss i g n i f i c a n t l y i v a b s t r a c t b e t t e rt h a ne x i s t i n ga l g o r i t h m si nb o t he n e r g ym i n i m i z a t i o na n dr e l i a b i l i t y i ti ss u i t e d f o rs y s t e m l e v e ls y n t h e s i so fh e t e r o g e n e o u sh i e r a r c h i c a ln o c s a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c h e so nm p s o c n o cd e s i g nm e t h o d o l o g ya r ei nt h es t a g eo f i n i t i a ld e v e l o p m e n t ，a n dt h e r ea r em a n yo p e np r o b l e m sl e f t t h ed e s i g nm e t h o d sa n d e n e r g yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nm a yp r o v i d es o m en e w t e c h n i q u e sa n di d e a st od e s i g na u t o m a t i o no fn e x t g e n e r a t i o ne m b e d d e dm u l t i c o r e s y s t e m sb a s e do nn o c k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e n e r g ye f f i c i e n td e s i g n , m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m o n c h i p ， n e t w o r k o n c h i p ，i pc o r e v 缩略词 a c n n a s i c b b c a d c m o s c o t s 缩略词 a u t o w a v ec o m p e t i t i o nn e u r a ln e t w o r k a p p l i c a t i o n - s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t b r a n c ha n db o u n d c o m p u t e r a i d e d d e s i g n c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r c o m m e r c i a l 0 i f - t h e s h e l f c o h xc o h e s i v ec r o s s o v e r c t g c m p d s p d v s f l i t e d a f p g a g a g a l s i p i t r s k l m c s p c o m m u n i c a t i o nt a s kg r a p h c h i pm u l t i p r o c e s s o r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g f l o wu n i t e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g e n e t i ca l o g r i t h m g l o b a la s y n c h r o n o u sl o c a ls y n c h r o n o u s i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s k e r n i g h a n l i n m u l t i c o n s t r a i n e ds h o r t e s tp a t h m p s o c m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m - o n - c h i p n a gn e t w o r ka r c h i t e c t u r eg r a p h x i 缩略词 n o c p c n n p e q a p q o s r - p m s o c t s t s n m u s b v l s i n e t w o r k - o n - c h i p p u l s ec o u p l e dn e u r a ln e t w o r k p r o c e s s i n ge l e m e n t q u a d r a t i ca s s i g n m e n tp r o b l e m q u a l i t yo fs e r v i c e r e c u r s i v eb i p a r t i t i o n i n gf o rm a p p i n g s y s t e m - o n c h i p t a b us e a r c h t a b us e a r c hf o rn o cm a p p i n g u n i v e r s a ls e r i a lb u s v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n x i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 躲一睨助产坍日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：刃7 年厂月2 乡日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 嵌入式系统是指以应用为中心、计算机技术为基础、软硬件可裁剪，适应应 用环境对功能、实时性、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系 统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、微电子技术和现代电子系统技术与各个 行业的具体应用相结合的产物，已成为当前最主要的计算机市场增长点之一。 嵌入式系统在当今的社会和经济发展中扮演着重要的角色，在消费电子、汽 车电子、医疗器械、工业控制、军事电子、航空航天等领域有着广泛的应用。据 统计，全球嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元，2 0 0 4 年全球的嵌 入式系统市场已超过4 5 0 亿美元，并以1 4 的年增长速度在迅速发展，预计到2 0 0 9 年将会达到8 8 0 亿美元。 与嵌入式应用相互推动、相互促进的，是s o c ( s y s t e m o n c h i p ，片上系统或 系统芯片) 技术的发展和市场的成熟。随着集成电路制造工艺的飞速发展，嵌入 式系统硬件的集成度越来越高，可以将微处理器、存储器、i 0 设备等硬件单元集 成到单个芯片上，这就是s o c 。s o c 采用可重用的知识产权( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ， i p ) 核，提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了产品的上市时间。目前，s o c 以其集成度高、体积小、功耗低等优点得到了广泛的应用，已成为当前嵌入式系 统的主要实现平台。 1 1 1 从s o c 到m p s o c 随着各应用行业日新月异的发展，嵌入式电子产品的功能越来越复杂，更新 换代越来越快，设计周期越来越短，高性能成为嵌入式系统的追求目标。单处理 器s o c 己无法满足嵌入式系统日益增长的功能和性能需求，需要将多个处理器和 存储单元等口核放在一个芯片上。 m p s o c ( m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m o n c h i p ，多处理器s o c 或多核s o c ) 【1 2 】成为 高性能嵌入式应用的必然发展趋势，正逐渐演变为多处理器系统乃至计算机体系 结构一个重要的、具有变革性的分支。如今，m p s o c 已广泛应用于网络通信、信 号处理、多媒体等嵌入式电子产品中【。 电子科技大学博士学位论文 国际上已有多家公司建立了m p s o c 平刨2 1 ，如p h i l i p s 的n e x p e r i a ，t i 的o m a p 以及x i l i n i x 的v e r t e x i ip r o 等。其中，n e x p e r i a 面向机顶盒和数字电视等视频应 用，包括2 个c p u 核：t r i m e d i av l i w 媒体处理器核和m i p s 核。它还有一个专 用的口库，包括图像协处理器、d s p 、1 3 9 4 、u s b 等p 核。根据应用的设计需求， 可以从i p 库中选择不同的硬件处理单元，搭建各种计算平台。 例如，图1 1 是n e x p e f i a 构建的一个m p s o c 实例v j p e r 【3 】。其中，m i p s 核 运行实时操作系统，t r i m e d i a 核做为从处理器，执行m i p s 分配的计算任务如视频 解码。系统为每个c p u 分配1 条总线，另外有1 条总线用于外接内存接口，3 条 总线之间用桥( b r i d g e ) 连接。总线上还连接有各种硬件加速单元，用来完成一些 特定的计算功能，如色彩空间转化等。 | e x t e r n a ls d r a mi 。m 。i p 。$ 。i im e m 。r yc 。n t r o l l e rl lt r i m e d i al 已耐l i 、丽i l i n t e r r u p tc o n t r o | l e 卜一 藿耋 鞭 i 罢肇 u 一叠k 差兰 e n h a n c e dj t a g 卜一 咔，f a s to - b r i d g e 卜 苫t i m i p s b r 目 一 t r i m e d i a 口b d a g e - i i n t e r r u p tc l d 1 c i o c k s 篓童 _ i 埔砖e 南斌蠢 m p e g - 2 堇芷 v i d e od e c - - d d e t - a u d i o i ，o l 1 。口h i g 怕h 。- p 。e 。r 。f o 叼r m 。a n 。c 。e _a d v c l n c e di m a g e js o n yp h i l i l c p ud e b u g i - - 1 e x p b u st r d e r f a c e c o m p o s i t i o n p r o e 瑚s o r ir 毪n s p o r l u n i v e r s a ls e r i a ib u sl v i d e oi n p u t s t l e a m 1 m e g r a t e dc i 删l l 。 p r o c e s s o r g e n e r a l - rejve魄睫ln8nnefas州ynnc。fi-(uar 1 绯i 咖e e e ，1 3 。9 删4 秆i m l p - b a s c a l e r 叶一 p u r p o s e t ) 1 1 0 i s o u a r t i - - 蹴 q i s y s m l t e g p t o c 卜一 s y n c h r o n o u s s e r i a | j n t a d a c e f i l ii ”“哆j 图1 - 1v i p e r m p s o c 平台 m p s o c 的出现，大大提高了嵌入式系统的计算处理能力，但随着m p s o c 平 台内i p 核数目的不断增加，在设计如此复杂的数字系统时，片内的互连机制将成 为下一代m p s o c 性能和功耗的限制因素。 1 1 2 从m p s o c 到n o c 现在的s o c 主要用总线来实现各计算模块间的互连和通信。为了满足片上同 2 第一章绪论 益增长的通信需求，总线技术也在不断地改进，逐渐从单一的共享总线发展为多 总线的桥接，进而演变到层次化总线等更复杂的结构【4 】。 随着微电子技术的飞速发展，芯片的集成度不断提高，据国际半导体技术蓝 图报告i t r s2 0 0 6 预测，到2 0 1 0 年，集成电路的生产工艺将会达到5 0 n m 以下， 单个芯片上的晶体管数目将会达到数十亿个，使得在单个芯片上放置成百上千个 i p 核成为可能。 随着m p s o c 中i p 核的增多，总线结构将难以满足以下要求： 可扩展性面临的问题。随着片上集成的m 核越来越多，数据处理量也越 来越大，有限的地址资源将成为扩大电路规模的瓶颈。一条总线无法支持 一对以上的节点同时通信，效率很低。层次化总线虽然可以缓解这个问题， 但当片上i p 核的数目增加到上百个以后，也是无能为力的。 单一时钟同步问题。总线结构要求全局同步，但是随着工艺特征尺寸的缩 小，工作频率迅速上升，达到1 0g h z 以后，互连线延时造成的影响将严 重到无法设计全局时钟树。另外，庞大的时钟网络将占据芯片的大部分功 耗。 为了有效解决未来m p s o c 中多核之间复杂的通信问题，借鉴计算机网络和并 行计算领域的研究成果，逐渐出现了一种全新的设计模式一一片上网络 ( n e t w r o k o n c h i p ，n o c ) e 5 , 6 】。 如图1 2 所示，n o c 通过路由器和链路将系统中的处理器、d s p 、存储器等i p 核连接起来，网络接口用来实现各计算模块与通信网络间的连接与数据传输。i p 核之间的消息通信用数据包( p a c k e t ) 来封装，并采用一定的路由算法实现整个网 络内的异步传输。根据需要，n o c 可以采取不同的网络拓扑进行互连通信。 图l 一2 片上网络n o c 电子科技大学博士学位论文 与总线相比，n o c 具有以下优点【4 7 】- 可重用：提供了对m p s o c 通信结构更高程度的重用。 可预测：具有规则的几何和网络结构，通信性能呈现出可预测的特性。 可扩展：具有良好的地址空间可扩展性，网络的带宽、连接线和规模等也 可以根据需要进行扩展。 可定制：可根据应用需求选择网络拓扑、对网络体系结构进行裁剪。 高性能：以超过1 g h z 的频率运行，网络带宽可达到1 gb s 以上，提供并 行的流水线通信方式。 模块化：计算与通信体系结构可以分开设计，降低了设计复杂度。 设计灵活：采用全局异步局部同步( g l o b a la s y n c h r o n o u sl o c a l s y n c h r o n o u s ，g a l s ) 机制，功耗管理、时钟域、电压和频率调整等都可 以在局部范围内设置。 n o c 其实也是m p s o c ，在本文中，将采用n o c 的m p s o c ( n o cb a s e dm p s o c ) 称为网络化m p s o c 或n o c 系统。 1 1 3n o c 的发展 n o c 是一个崭新的话题，在国际上自2 0 0 0 年才刚刚起步。随着微电子学、电 子设计自动化( e d a ) 、嵌入式系统等相关技术的不断发展，越来越多的研究机构 意识到n o c 的潜力，纷纷加入对它的研究队伍中，推动着它的快速发展，使得n o c 成为一个十分活跃的学术前沿领域。 其中，比较著名的研究机构和项目有：p h i l i p s 公司的么e m e r e a l 【引，瑞典皇家 理工学院的n o s t r u m 9 ，韩国高等科技研究院的b o n e 1 0 】，美国斯坦福大学的 x p i p e s 】，法国巴黎六大的s p i n 1 2 1 。其他具有领先地位的研究机构还包括：美国 卡内基梅隆大学【13 1 ，美国亚利桑那州立大掣1 4 1 ，美国普林斯顿大学 1 5 】，瑞典颜雪 平大学【1 6 】等。 2 0 0 6 年，欧洲设计、自动化与测试国际会议( d a t e ) 组织了一个“未来互连 与片上网络 的w o r k s h o p ，邀请了全世界范围内几乎所有具有领先地位的大学和 公司的研究组，决定创建一个以n o c 为主题的国际研讨会。2 0 0 7 年，第一届i e e e 片上网络国际研讨会( i e e ei n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nn e t w o r k s o i l c h i p ) n o c 2 0 0 7 在美国普林斯顿召开，标志着n o c 已经成长为一个相对独立的研究领域。 由于n o c 是一个嵌入式实时系统、计算机辅助设计( c a d ) 、微电子学、并 4 第一章绪论 行计算和计算机网络等多个学科交叉的研究领域，各国研究人员也从不同角度开 展对n o c 的研究，表1 1 总结了近年来各领域著名国际期刊组织的n o c 专刊。 表1 1 与n o c 相关的国际期刊专刊 时间 期刊内容 2 0 0 4 年2 月 j o u r n a lo fs y s t e m sa r c h i t e c t u r e 1 7 1 拓扑结构，路由，q o s ，设计方法 2 0 0 4 年1 0 月 i n t e g r a t i o n ，t h ev l s ij o u r n a l 1 8 】 通信开销，案例分析，n o c 实例，设计 概念 i e e et r a n s a c t i o n so np a r a l l e la n d 拓扑优化与映射方法，n o c 综合流程工 2 0 0 5 年2 月 d i s t r i b u t e ds y s t e m s 【1 9 】 具，片上多处理器体系结构 设计，综合，测试，实现，错误恢复机 2 0 0 5 年9 月 i e e ed e s i g n & t e s t t 2 0 1 制，动态可重构n o c 2 0 0 7 年4 月j o u n r a lo f v l s id e s i g n 2 l i 物理链路设计，体系结构设计与优化， 功耗建模，容错通信，映射与路由 非规则拓扑n o c 优化，低功耗路由器， 2 0 0 8 年9 月 i e e et r a n s a c t i o no nc o m p u t e r s 2 2 】 电路交换，m p s o c 时钟分布，测试， 信息安全，无线n o c 2 0 0 8 年 i e e et r