（计算机应用技术专业论文）面向应用的片上网络生成方法研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ho fa s y n t h e s i sf l o wf o ra p p l i c a t i o n - o r i e n t e d m a s t e rc a n d i d a t e ：l ej i a n l i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l i uy i j u n m a y2 0 1 0 f a c u l t yo fc o m p u t e r g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 9 0 摘要 摘要 随着半导体工艺的发展，片上系统( s y s t e m o nc h i p ) 体系结构设计变得越来越 复杂，一个片上系统通常集成数十个或者上百个l p 核，每个i p 核都相当于传统 意义的内存、处理器、d s p 和a s i c 。传统的总线结构显然无法满足如此大规模 i p 核之间的通信需求。因此，设计者们把互连网络引入到片上系统设计，用于 解决片上系统中p 核之间的通信问题，这就是片上网络。片上网络( n e t w o r ko n c h i p ) 具有可扩展性好，可重用性高，容易解决i p 核之间通信等优点。 不同应用领域对片上网络有不同的需求，研究面向特定应用的片上网络自动 生成是一个重要课题。片上网络自动生成对于提高集成电路设计的效率至关重 要。本文针对片上网络的研究现状，探讨如何将特定应用自动生成符合目标性能 的片上网络。 论文分析了片上网络的基本概念，基本结构，以及设计中面临的拓扑结构， 路由策略，交换机制，服务质量等关键问题。 接着研究了片上网络设计方法，并提出了一种基于口库的片上网络设计方 法，它采用任务和通讯相分离的策略，能够很好的解决面向应用的片上网络设计。 在基于i p 库的片上网络设计方法的基础上，论文研究了面向应用的片上网 络生成方法。由于2 dm e s h 拓扑结构规则，算法简单易于实现，是应用得最早 和最广泛的片上网络拓扑结构，因此把它作为片上网络生成平台。然后分别从应 用输入，映射，路径分配，自动生成四个方面逐步实现了片上网络生成方法。并 就其中的核心问题映射，采用了一种有效的粒子群优化算法来实现，它在自动映 射处理单元的同时，尽可能地减少了系统的链路带宽需求。并就路径分配问题提 出了一种负载均衡最短路径算法，它在很好地完成片上网络中的路径分配任务 时，考虑了链路负载均衡。 为了验证本文提出的面向应用的片上网络生成方法。本文最后通过一个视频 应用实验对片上网络生成方法进行测试，同时利用编写的测试程序实现随机映射 和x y 路由算法，利用该测试程序对同样的视频应用进行片上网络生成。将实验 数据进行性能对比分析，结果显示本文提出的片上网络生成方法生成的片上网络 在链路带宽需求和链路负载均衡方面具有较好的性能表现，满足了设计目标。 关键词：片上网络；应用；映射；路径分配；自动生成 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , s y s t e m o n c h i p ( s o c ) i s b e c o m i n gm o r ec o m p l i c a t e di ni t sa r c h i t e c t u r ed e s i g n as o ci su s u a l l yi n c l u d e s h u n d r e d so fi pc o r e s ，e a c hi pc o r ei s e q u i v a l e n t t ot h et r a d i t i o n a lh a r d w a r e c o m p o n e n t s ，f o re x a m p l e ，m e m o r y , c p u ，d s pa n da s i c t h et r a d i t i o n a ls o cb u s a r c h i t e c t u r ei sh a r dt om e e tt h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n tb e t w e e nah u g el a r g eo f i pc o r e si nm o d e ms y s t e m o n - c h i pd e s i g n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h e ri n t r o d u c e o n - c h i p i n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r kt o s y s t e m o n c h i pd e s i g n ，f o rs o l v i n g t h e c o m m u n i c a t i o np r o b l e m sb e t w e e nt h ei pc o r e s ，t h i si s o n - c h i pn e t w o r k n o c ( n e t w o r ko nc h i p ) h a sg o o de x p a n s i b i l i t y , s c a l a b i l i t y ，h i g hr e u s a b i l i t ya n de a s yt o s o l v es i n g l ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o np r o b l e ma n ds oo n d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sh a v ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t si nn o c r e s e a r c ho fa s y n t h e s i sf l o wf o rs p e c i f i ca p p l i c a t i o nn o ci sv e r yi m p o r t a n t t h es y n t h e s i sf o rn o c a u t og e n e r a t i o ni sc r i t i c a lt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fi n t e g r a t e dc i r c u i t sd e s i g n b a s e o nt h es t a t u sq u oo fn o c ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sas y n t h e s i sf l o wf o rd e s i g n i n ga a p p l i c a t i o n - s p e c i f i cn o c ，w h i c hc a nm e e tt h ed e s i g no b j e c t i v e p a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t sa n db a s i cc o m p o n e n t so fn o c ，a n df o c u s 、o ns o m ek e yt e c h n i q u e p o i n t so fn o c ，f o re x a m p l e ，n e t w o r kt o p o l o g y ，r o u t i n g s t r a t e g y ，e x c h a n g em e c h a n i s m ，q u a l i t yo fs e r v i c ea n ds oo n p a p e rt h e nd i s c u s s e st h en o cd e s i g nm e t h o d ，a n dp r o p o s e sak i n do fn o cd e s i g n m e t h o db a s e do ni pl i b r a r y ，w h i c hm a k e sn o ca c h i e v eb e t t e r p e r f o r m a n c eb y s e p a r a t i n gc o m p u t a t i o nt a s ka n dc o m m u n i c a t i o n f o l l o w e db yad i s c u s s i o no fn o c d e s i g nm e t h o d ，p a p e rp r e s e n t sas y n t h e s i sf l o w f o ra p p l i c a t i o n - o r i e n t e dn o c a st h e2 dm e s hs i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt oi m p l e m e n t ， s u c ha st h ei n h e r e n ta d v a n t a g e s ，w eh a v ea d o p t e di ta st h eb a s i cn e t w o r kt o p o l o g y p a p e rp r e s e n t s t h i s s y n t h e s i sf l o wf r o ma p p l i c a t i o ns p e c i f i c a t i o ni n p u t ，m a p p i n g , r o u t i n gp a t ha l l o c a t i o na n da u t o g e n e r a t i o ns e p a r a t e l y a n dm a p p i n ga n dr o u t i n gp a t h a l l o c a t i o na r et w oc r i t i c a la s p e c t sf o rt h es y n t h e s i s l i n kb a n d w i d t hp r i o r i t ym a p p i n g i i i 广东工业大学硕士学位论文 o b j e c tf u n c t i o ni s s e tu pa n dt h ep s o ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) a l g o r i t h mi s p r o p o s e dt oi m p l e m e n tt h em a p p i n g t h ep s oa l g o r i t h mc o m p l e t e st h et a s ko fn o c m a p p i n gv e r yw e l la n d r e d u c e dt h el i n kb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t l o a d b a l a n c ep r i o r i t y r o u t i n gp a t ha l l o c a t i o no b j e c tf u n c t i o ni ss e tu pa n dam i n i m a lp a t ha l g o r i t h mb a s e d o nl o a d - b a l a n c ei sp r o p o s e dt oi m p l e m e n tt h ea l l o c a t i o n t h em i n i m a lp a t ha l g o r i t h m c o m p l e t e st h et a s ko fn o cp a t ha l l o c a t i o na n da c h i e v el o a d - b a l a n c ev e r yw e l l i no r d e rt oe v a l u a t i n gt h es y n t h e s i sf l o w , t h i sf i n a le x p e r i m e n tt h r o u g hav i d e o a p p l i c a t i o nf o rt e s t i n gn o ca u t o g e n e r a t i o nm e t h o d ，a n dd e s i g no t h e rt e s tp r o g r a mt h a t i m p l e m e n tr a n d o mm a p p i n ga n dx yr o u t i n ga l g o r i t h mt og e n e r a t i o nt h en o c a f t e r t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i s ，r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dn o c s y n t h e s i sf l o wh a s b e t t e rp e r f o r m a n c ei nl i n kb a n d w i d t hr e q u i r e m e n ta n dl o a d b a l a n c e ，a n di tm e e tt h e d e s i g no b j e c t i v e s k e y w o r d s ：n e t w o r ko nc h i p ；a p p l i c a t i o n ；m a p p i n g ；r o u t i n g ；a u t o g e n e r a t i o n 目录 目录 摘 要i a b s t ra c t i i i 目录v c o n t e n t s v i i 第一章绪论“1 1 1 研究背景1 1 2 研究内容及方法”2 1 3 论文的特色3 1 4 论文结构及内容安排4 第二章片上网络介绍”5 2 1 片上网络基本概念5 2 2 片上网络基本结构一6 2 3 片上网络关键技术7 2 3 1 拓扑结构7 2 3 2 路由策略9 2 3 3 交换机制1 0 2 3 4 服务质量1 1 2 2 5 流量控制1l 2 2 6 性能评估1 1 2 4 小结1 2 第三章片上网络设计方法1 3 3 1n o c 设 十1 3 3 2 基于i p 库设计流程1 4 3 3 关键设计技术1 7 3 4 小结1 8 第四章自动生成方法研究1 9 v 广东工业大学硕士学位论文 4 1n o c 生成平台1 9 4 2 应用输入”2 0 4 3 映射2 2 4 3 1 链路带宽优先的映射问题描述”2 2 4 3 2 映射算法比较2 4 4 3 3 基于粒子群优化算法映射2 6 4 4 路径分配2 8 4 4 1 链路负载均衡的问题描述2 9 4 4 2 路径分配算法描述”3 0 4 4 3 负载均衡最短路径算法实现3 1 4 5 自动生成3 5 4 6 小结3 6 第五章测试与结果分析3 7 5 1 测试平台”3 7 5 2 实例测试：3 7 5 2 结果分析3 9 5 3 小结4 2 结论4 3 参考文献4 5 攻读学位期间发表的论文4 8 独创性声明4 9 致谢5 0 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n d 1 1 2m e t h o d o l o g yo fr e s e a r c h 2 1 3f e a t u r e ”：3 1 4o r g a n i z a t i o n 4 c h a p t e r2n o ci n t r o d u c t i o n 5 2 1b a s i cc o n c e p to fn o c 曼 2 2b a s i cc o m p o n e n to fn o c 6 2 3k e yt e c h n i q u e 7 2 3 1n e t w o r kt o p o l o g y - 7 2 3 2r o u t i n gs t r a t e g y 9 2 3 3e x c h a n g em e c h a n i s m 1 0 2 3 4q u a l i t yo fs e r v i c e 1 1 2 2 5f l o wc o n t r o l 11 2 2 6p e f f o r m a n c ee s t i m a t e 1 1 2 4s u m m a r y 1 2 c h a p t e r3d e s i g nm e t h o d o l o g y o fn o c 1 3 3 1n o cd e s i g n 1 3 3 2d e s i g nf l o wb a s eo ni pl i b r a r y 1 4 3 3k e yt e c h n i q u eo fd e s i g n 1 7 3 4s u m m a r y 1 8 c h a p t e r4a a u t o g e n e r a t i o ns y n t h e s i sf l o w 1 9 v l l 广东工业大学硕士学位论文 4 1a u t o g e n e r a t i o np l a t f o r m 一1 9 4 2a p p l i c a t i o ns p e c i f i c a t i o ni n p u t 2 0 4 3m a p p i n g 2 2 4 3 1l i n k b a n d w i d t hm a p p i n gd e s c r i p t i o n 2 2 4 3 2c o m p a r i o no fm a p p i n ga l g o r i t h m s 2 4 4 3 3p s om a p p i n ga l g o r i t h m 2 6 4 4r o u t i n gp a t ha l l o c a t i o n - 2 8 4 4 1l o a d b a l a n c er o u t i n gd e s c r i p t i o n 2 9 4 4 2r o u t i n gp a t ha l l o c a t i o nd e s c r i p t i o n 3 0 4 4 3m i n i m a lp a t ha l g o r i t h mb a s eo nl o a d b a l a n c e 3 1 4 5a u t o g e n e r a t i o n 3 5 4 6s u m m a r y 3 6 c h a p t e r5t e s t i n ga n da n a l y s i s 3 7 5 1t e s t i n gp l a t f o r m 3 7 5 2e x a m p l et e s t i n g 3 7 5 2r e s u l ta n a l y s i s 3 9 5 3s u m m a r y 4 2 s u m m a r i z a t i o n 一4 3 r e f e r e n c e s 4 5 p u b l i c a t i o n sd u r i n gt h ep e r i o do fm a s t e r ss t u d y 4 8 o r i g i n a l i t ys t a t e m e n t 4 9 t h a n k s 5 0 第一章绪论 1 1研究背景 第一章绪论 任何事物的发展都有其内在的规律。1 9 6 5 年，i m 匝l 仓i j 始人戈登摩尔在一篇 论文中说，i c 上可容纳的晶体管数目，约每隔1 8 个月便会增加一倍，性能也将提 升一倍，并且成本不变，这就是著名的摩尔定律。集成电路加工技术的发展就遵 循摩尔定律。摩尔定律通过半个世纪的验证，一直与集成电路的发展相一致，单 片集成电路上晶体管的数目每隔二年即翻一倍，单位面积上集成的数目也以这个 速度发展。 随着单芯片面积和晶体管资源的指数增长，片上系统( s y s t e mo i lc h i p ) 将变得 越来越复杂。一个片上系统( s o t ) 将集成成千上万个i p 核，每个i p 核都相当于传 统意义的处理器、存储器、d s p 、a s i c 、模拟电路和数模混合电路等。现有的以 共享总线结构为通信基础的s o c 技术不仅仅面临着逻辑功能复杂性提高的挑战，。 还面临着片上系统中各个部分的互连，以及互连所带来的性能、功耗、延时、可 扩展性和可靠性等方面的巨大挑战。s o c 设计中广泛采用的共享总线结构存在带 宽限制，信号集成度，信号延迟，全局同步等诸多问题。传统的片上总线( s o cb u s ) 和点对点的i p 核互连方式( p o i n t t o p o i n ti n t e r o o n n e c t i o n ) 已经很难适应现代片上系 统发展的可扩展性需求1 1 。5 1 。 因此，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 ( n e t w o r ko nc h i p ) ，它克服了总线结构可扩展性差的缺点，为超大规模的晶体管 时代提供了一种可行的片上系统通信机制。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 ) 有利于提高可扩展性 s o c 总线架构可扩展性和可重用性差，为此在芯片计算能力演变时，必须跟 随着处理能力的需求而变更设计( 如更高的内存宽度、更高的频率、更灵活的同 步或异步设计等) ，每一代芯片的推出都伴随着程度不等的设计变更，这对于开 发人员而言是相当大的负担。若是将通信架构独立设计，并且运用更具弹性的技 术，对于缩短设计周期、减少丌发成本都有不小的帮助。 广东工业大学硕士学位论文 由于n o c 所使用的通信协议层本身属于独立的资源，因此提供了支持高效率 可重用设计方法学的体系结构，n o c 将重用范围从计算单元可重用扩展到计算与 通信单元皆可重用的层次，从而大大提升了重用设计的水平。 ( 2 ) 有利于提高通信带宽 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。 n o c 的网络拓扑结构提供了良好的可扩展性；n o c 连线网络提供了良好的并 行通信能力，从而使得通信带宽增加几个数量级；此外，n o c 将长的互连线变成 交换开关之间互相连接的短连线，这对功耗控制变得极为有利；另一方面，n o c 借鉴了通信协议中的分层思想，这就为从物理级到应用级的全面功耗控制提供了 可能。 ( 3 ) 有利于解决单一时钟同步问题 纳米工艺所带来的各种物理效应使得片上全局同步越来越困难。当采用5 0 r i m 工艺，时钟频率为1 0 g h z 时，全局线延迟将达6 - - - 1 0 个时钟周期，时钟偏斜( s k e w ) 变得难以控制，而时钟树又是影响芯片功耗和成本的一个主要因素。这些问题， 随着集成器件尺寸越来越小，时钟频率越来越高，将变得越来越突出。 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。 1 2研究内容及方法 本文研究的是面向应用的片上网络生成方法，它需要考虑的是如何将特定应 用生成理想的片上网络，即生成的n o c 在指定性能方面能满足用户需求。由于 2 dm e s h 网络拓扑结构规则，算法简单易于实现，是应用得最早和最广泛的片上 网络拓扑结构，所以把它作为n o c 生成平台。本文的研究内容就是以n o c 自动 生成方法为中心来展开讨论的，主要工作包括如下几个方面： 2 第一章绪论 ( 1 ) 首先研究n o c 设计方法。n o c 是针对非常复杂结构应用的解决方案，使 用n o c 方案的应用一般都具有大量的l p 核，如何合理的设计n o c 解决i p 核的 布局和通讯问题是n o c 的设计重点。本文采用任务和通讯相分离的策略来进行 n o c 设计，提出了基于口库的设计方法，并分析了该设计方法的每个步骤。 ( 2 ) 在n o c 生成平台上，从应用输入，映射，路径分配，自动生成四个方面 逐步实现了面向应用的片上网络生成方法。采用了一种有效的粒子群优化算法实 现了n o c 映射，它在自动映射处理单元的同时，尽可能地减少了系统的链路带 宽需求。并提出了一种负载均衡最短路径算法，它在很好地完成n o c 中的路径 分配任务时，考虑了链路负载均衡。 ( 3 ) 为了验证本文提出的面向应用的片上网络生成方法。最后通过一个视频 应用实验对n o c 生成方法进行测试，同时编写了一个测试程序实现随机映射和 x y 路由算法，利用该测试程序对同样的视频应用进行n o c 生成。将实验数据进 行性能对比分析，结果显示本文提出的n o c 生成方法生成的n o c 在链路带宽需 求和链路负载均衡方面具有较好的性能表现，满足了设计目标。 1 3 论文的特色 本文研究的面向应用的片上网络生成方法，其特色主要体现在以下几个方 面： ( 1 ) 该生成方法是一个面向应用的完整片上网络生成方法，从应用说明开始 到n o c 最终生成，针对n o c 生成的每个设计阶段给出具体解决方法，完全实现 n o c 自动生成。 ( 2 ) 提出一个基于i p 库的n o c 设计方法，使得该生成方法有了理论依据， 可以通过具体实现设计方法中每个步骤进行n o c 自动生成。 ( 3 ) 以链路带宽需求为映射优化目标，采用粒子群优化算法实现n o c 映射， 它能很好的减少链路带宽需求。 ( 4 ) 以链路负载均衡为路径分配目标，提出了一种负载均衡最短路径算法， 它在考虑链路负载均衡的同时，很好地完成n o c 中的路径分配任务。 ( 5 ) 通过实验，验证该生成方法的可行性及正确性，并通过实验数据对比， 验证该生成方法具有良好的性能。 3 广东工业大学硕士学位论文 1 4论文结构及内容安排 本论文共分为五大部分。第一章介绍了片上网络研究动态，说明论文结构及 内容安排；在第二章分析了n o c 基本概念，基本结构，以及n o c 关键问题，如拓 扑结构，路由策略，交换机制，服务质量以及流量控制等；第三章研究了n o c 设 计方法，并提出了一种基于i p 库的设计方法来设计片上网络；第四章详细提出了 面对应用的片上网络自动生成方法，并实现其自动生成；第五章通过实例验证本 文所设计的n o c 自动生成方法，通过实验数据对比，分析其性能。最后对本设计 作了总结，展望了未来应该开展的工作。 4 第二章片上网络介绍 第二章片上网络介绍 弟一早万工网靖丌瑙 n o c 体系结构是在传统s o c 总线体系结构无法满足未来越来越高的计算和通 信要求的基础上发展起来，它借鉴了计算机网络体系结构的概念，将计算机网络 体系结构中的设计思想引入n s o c 和片上多处理器系统的设计中，从而产生了 n o c 的体系结构。本章首先分析了片上网络的基本概念，以及它的基本结构，然 后分析了片上网络计过程中所面临的关键问题，如拓扑结构，路由策略，交换机 制，服务质量以及流量控制等。 2 1片上网络基本概念 2 0 0 0 年左右，片上网络概念便被比较明确的提出。1 9 9 9 年，a g a r w a l 等人在 m r rr a w 微处理器中将静态和动态两套通信网络相结合，共同实现多个处理器 核心的协同和通信【6 1 ；2 0 0 0 年，g u e r r i e r 和g r e i n e r 提出了基于胖树( f a t t r e e ) 结 构和包交换s p i n 片上网络结构 7 1 。2 0 0 1 年，d a l l y 和t o w l e s 通过分析片上系统 硬件资源的特点，提出了一个通用n o c 模型，从而证明了片上网络在解决s o c 互连的可行性1 8 j 。随后，随着相关技术的不断发展，研究者们在片上网络领域展 开了广泛研究，并推动着它的快速发展，并使其成为了一个十分活跃的学术前沿 领域。 目前的n o c 概念很宽泛，不同的研究机构和研究人员对n o c 有不同的定义 和理解，但是有一点是相同的：借鉴并移植计算机网络通讯中的概念和方法，用 于多个子系统或i p 的集成。因此，n o c 可以定义为在单个芯片上实现的基于网 络通信的多处理器系统。n o c 通常包括计算和通讯两类节点，计算节点( 又称 为资源节点，r e s o u r c e ) 完成广义的计算任务，它们既可以是s o c ，也可以是各 种单一功能的l p 核；通讯节点负责计算节点之间的数据通讯，它用路由和分组 交换技术替代传统的总线技术完成通讯任纠9 1 。结构化的网络连线可以更好的控 制连线的电气参数，提供更高的带宽，支持多重的并行通讯等。此外，n o c 还 具备数据处理量大、多任务并行计算、架构易扩展、灵活性强等特点。因此，可 认为片上网络( n o c ) 是片上系统( s o c ) 的- 种新的设计方法，它带来了一种全新的 5 广东工业大学硕士学位论文 片上通信方法，显著改善了传统总线式系统的性能。 2 2 片上网络基本结构 一个n o c 的基本结构应该包括以下i p 核， 四个部分1 1 0 1 ，如图2 - 1 所示： 网网隅 i p 核 l r n i i p 核 际 路由节点，资源网络接口和链路 i p 核l i r n i 卜资源网络接口 r 卜_ 一r 卜一r 卜一r i p 核 f r n i i p 核 同 r 卜一r 卜一r i p 核 i r n i i p 核 而 r 卜- 一r 卜一r i p 核 r n i i p 核 r n i i p 核 厮 i p 核 l r n i i p 核 i r n l r r r 卜链路 路由节点 图2 。12 dm c s h 片上网络基本结构 f i g u r e2 - 12 dm c s ht o p o l o g yn o cc o m p o n e n t s i p 核：i p 核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o l e ，知识产权核) 主要分为软核，固核， 硬核。软核是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，该程序与集成电路工 艺无关，不涉及物理实现，可以移植到不同的半导体工艺中去生产i c 芯片，大 多数应用于f p g a 的i p 内核均为软核；硬核提供设计阶段最终阶段产品，具有 特定电路功能的集成电路版图，具有可保证的性能，但硬核一般不允许更改，缺 乏灵活性而可移植性差，例如处理器，内存等；固核则是软核和硬核的折衷，其 设计程度则是介于软核和硬核之间，除了完成软核所有的设计外，还完成了门级 电路综合和时序仿真等设计环节。一般以门级电路网表的形式提供给用户，例如 p c i 接口内核。可见，i p 核是n o c 中的资源节点，主要负责计算任务。典型的 l p 核相当于传统意义的嵌入式微处理器、d s p 、内存、a s i c 、f p g a 、f i r 滤波 器、p c i 接口，数模转换器、可重构硬件资源等或者是上述各种硬件的组合。 6 第二章片上网络介绍 路由节点：是n o c 系统中的通讯节点，也是关系到n o c 内部l p 核之间的通信 吞吐量、延时等性能的关键部件。它负责i p 核之间的信息交换，利用路由协议和 路由算法进行路径选择，实现路由策略，从而保证源i p 核的信息正确且高效的传 输到目标i p 核。 资源网络接口：资源网络接i s l ( r e s o u r c en e t w o r ki n t e r f a c e ) 是计算资源与通信 网络间的接口，将计算资源与网络通信部分分离，即计算和通讯问的分离，允许 i p 核和通信结构分别独立设计，使计算资源相对网络透明，从而实现异构资源 间的互连，且能提高设计的重用性。计算资源通过资源网络接口连接到本地路由 器上，再由路由器连入网络。资源网络接n ( r n i ) 在功能上可以分为两个部分， 一部分是连接网络的部分，与资源( i p 核) 无关，另外一部分连接到i p 核。前一 部分因为和口核无关，因此对于任何l p 核都可以重用。和口核相关的部分连 接具体的口核的信号，例如控制信号，地址信号，主要是信号的打包和解包， 数据的编码检测等信息，这部分还要考虑定时，同步等问题。 链路：实现n o c 中路由节点与路由节点之间，路由节点与口核之间的物理 连接。包含了一个或多个逻辑、物理通道。 2 3 片上网络关键技术 设计_ 丘个完整的片上网络，需要考虑到各方面的技术问题。n o c 关键技术主 要包括拓扑结构、路由策略、交换机制、服务质量、流量控制和性能评估等，它 们对片上网络的设计都起着非常重要的作用。下面将进行逐一介绍。 2 3 1 拓扑结构 n o c 的拓扑结构定义了网络内节点与链路的布局和互连方式。它对于网络的 时延、吞吐率、面积、容错、功耗等性能有至关重要的影响，进一步还影响了网 络中的路由策略、映射算法等。所以，在片上网络中，对拓扑结构的研究至关重 要。通常n o c 拓扑结构分为两类，一类是规则拓扑，另一类是非规则拓扑。 规则拓扑：规则拓扑主要来自并行计算机互连网，常见的有二维网格( 2 d m e s h ) ，二维环绕( 2 dt o m s ) ，胖树结构( f a t t r e e ) ，蝶形结构等。如图2 2 所示。 7 广东工业大学硕士学位论文 2 d m e s h2 d