片上网络的串扰分析及控制方法.doc

獄 东 南 大学 学 位 论文 使 用授 权 声 明 琣 ，瓼， 琣 ， 深亚 微 米的 互迮 线 电 路 模型 延 时模 型 的 计算 。 冗余 总 线 编码 在片 上 网络 中 的 应用 片 上 网络 的 通信可靠性 及 编码 技 术 一贜 中 的 应用 的 实 现 结 构 一基 于 的 验 证和结 果 分析 总 结 与 展 望 本 文 已取 得的 成果 待进 一步 研究 的 问 题 随着半 导体 工 艺 的不 断 进 步 ，门电 路线 宽 值 九 值 由 最 初的 年 畉 ，到 今天的 ， ； 一块品 片上 集 成 的 元 件 从 年的 不 到 十 个 ，倍数 成 长 到 年的 片上 网络 的串扰 问 题由 于 金属 互 迮 线 的横 向 尺 寸及 线 间距 的缩 小，互 连线 的损耗 增 人，电 磁耦 合增 强 ，从而生出 的干扰 噪 声 。 串扰 在高 速 高 密度的 深 亚 微 米人规模集 成 电 路中尤为明 显 ，当 该 噪 卢 的峰值 足 够 人时，它将 导致 互 迩线 上 传输 的信 号的 逻 辑 特 性发生混 乱 ，或 是使互 迮 线 终端 的负 载管 鞑徽 ！ 贝 旁 肷 姆 逯 到 咏 麺 晶体 管 的阈 值 电 压 ，由 丁 闽值 漏泄电 流，高速 高 密度电 路将 耗 散 许多额 外 功 率。 冈此串扰 是深 亚 微 米人规模集 成 电 路且 迮 布 线 中必须 考虑的 问 题。 为通 讯 系 统 开 发一种 片上 网络 设 计 平 台 ，可 同 时对 系 统 物理层 和 结 构 层 提 供 支 持研 究 基 于 网络 通 讯 方 式 的 动态 可 重构 芯片架 构 研 究 片上 多处 理器系 统 通 信协议 内容 、 信 号传输 技术，减少 时延 和 降低 功 耗 研 究 基 丁通 讯 的设 计 ，异类 以异步 共 享 总 线 为研 究 起 点 ， 本 文 主要 研 究 内容 和 结 构 安排全 文 分 为五 章，具体 安排如 下：最 后 是致 谢，参 考文 献 和 作者攻 读 硕 十 学 位 期间发表的 论文 。 第 二章片上 网络 的 相 关 技术及 互 连线 串扰 分 析第 二章片上 网络 的 相 关 技术及 互 连线 串扰 分 析 片上 路由 器结 构简 单，不 宜采 较 复杂的 路由 算法 片上 网络 中缓 存 资 源比 较 宝 贵加 缓 存 的数 量 及 大 小也 能起 到 改善 网络 性能的 目 的，但是片上 路由 节 点 里 面 的缓 存 通 常 都 不 直接 型网络 拓扑 结 构 拓扑 结 构 拓扑 结 构相 比 ，具有 较 好 的扩 展性。拓扑 缤 等 。 片上 网络 的相 关 技术及 互 连线 串扰分 析图 娑 绰 稩 主 虚 拟直 通 甌 图 虚 拟直通 方 式 与虫 洞 路由 方 式 的比 较 图 和 允 视 穌 ，冈 为它有着诈 常 简 单易 实 现的 路由 逻 辑 。在维 序 路由 算法中，网络 拓扑 中的 路径 被划 分 为不 同 的维 度，数 据包在网络 中按 照维 度顺序 进 行路由 ，首 先 在低 一级的 维 度上 路由 ，当 数 据包到 达了 恰当 的肖 点 之 后 ，再按 由 低 维到 高 维 的顺序 在次 高 一级的 维 度上 路由 ，直到 数 据包剑 达目 的。 点 。 在维 序 路由 中，由 丁数据包严 格 按 照维 数 顺序 的变 化 在网络 中路由 ，因 此维 序 路由 中不 存 在夕匕 锁问 题。 按 照在不 同的网络 拓扑 结 构中应用 不 同 的路由 算法，本 文 中的 维 序 路由 为 中的 路由 ，下 一章将 对 此算法做详细介 绍 。 由 于 凶试 从邢蓿 虼 嗽贜 中， 一 般 采 用 的 都 是改进型的 具有一 定 自 适 应 性 的 维 序 路 图 是一 个 表 示互 连 线串 扰 的 示意 图。其 中 珺 ， 珼四点 处接 有四个 反相 驱 动器， 第 二章 片 上网络的 相 关 技 术 及互 连 线串 扰 分 析时 ，为 了提 高 精 度 通 常 将互 连 线看 作分 布参 数 模 型而 不 是传 统 的 集总参 数 ，冈 此 针对 互 连 线 在 线性 系 统 中， 经常 使 用 延 迟模 型对 一 个 阶 跃激 励所 产 生的 延 时 进行近 似估 计 。 【 洲圳 簅 定 义 瑃 瑃 瑃 縭 为 笨 蹋 嗬氲 缪骨 痻 琇 】 的 互 连 线上的 电 压 值 ， 卜 延 时 模 型的 计 算么 图 所 示的 总线模 型满足 下 面 的 偏 微分 方程：“以籵 琭 吃 琭 “ 吃 ；，弓 ，臂 饫 锏那晌5趇跟 线上驱 动 蛑械谋淞浚 式 可以 得 到 ， 逫薹南 一： 一 鴉公 式 4 谐 凳 唤 紫 咝 晕址 匠 蹋 眡 时 ，可以 算 出 它的 解为 ： 已 知 貽 则 矩 阵川 是可逆的 ，可以 得 到 ，【 觯捻 荆畂 糍 黔 卜卅 ，万 一线 怀 、将 后 ，得 剑， 也 谓小丁 皁 ， 一 “ 啊 畍 一 “ 最 后 ，在 这种情况 下 ，总线中延 时 总和可以 表 示成 下 式 ， 蘑 “ 一 “ 。 “ 一 “ 表 总线中信 号 跳变 与延 时 的 关 系 猯 山个个个上表 总线中两侧 走 线的 延 时 个上上个 下 面以 ， 汉 明码为 例 ，来 说明如 何 具体 构 造 这 些 监 督 关 系式 。设 分组码 ， 中 信息方 程组形 式 ： 口 吩呜吼 以砌以 口 ，、 以 辏 置 ，然 后予 以 纠 正 。例 如 ，接收码组为 伤 愠 鯯 测两 个 误 码。若 超 出 纠 错 能力 ，则反 会 冈 “乱纠 ” 而增加新 的误 码。根 据表 ，考 虑 总线 中 间 走 线 的延 时情况 ，可 以 看 出 ，当总线 上某个 信号 的翻 转 方 向之 为 最坏 情况 ，如 图 所示 。 个 个图 最坏 情况 延 时举 例 玫腃 编码为 了 方 便讨论 ，将表 中 的情况 简 化 ，如 表 所示 ，这 里只考 虑 上升 跳 变 带米的延 时，同 程度的降 低 ，具体 方 法 如 下 。表 总线 延 迟上反 之 亦然 。 伎 梢 越 畲 篑詈舷凳 齈 延 时降 到 的编码方 法 。实现这 种 编码方 式 最简 单 的方 法 就是采川 数 据复 制 与 屏蔽线 相 结合的方 法 ，将总线 上的每 一 位复 制 后，并在每 一 对相邻 复 制 的数 据线 之 间 插 入屏蔽线 。由 上面的分析 可 以 看 出 ，在降 低 总线 上串 扰 延 时的同 时，不 可 避 免 的增加了 总线 的冗 余度，同 时增加了 芯片 的面积。冗 余度越 高 ，编码后所增加走 线 也 占用 了 更多的面积，也 极 大地 降 低 了 串 扰 延 时，我 们应 该 根 据实际的指 标需 求 ，在速 度与 面积之 间 权 衡，找 到 一 个 最优化 编码方 式 。 贜 中 的应 用因此，在 校 A思 婀诵阅艿 亩 喾 矫 嬉G 螅 斜 匾 2捎昧街 直 嗦爰 碈 码 码相结合的方 法 ，如 图 所示 。需 要 说明的是，此处 并不 是机 械地 将两种 编码相叠 加，而是两者 的有 机 结合，信号 通过 总线 时之 前只需 经 过 一 次 编码，相应 的，接收端 也 只需 要 一 次 解码。经 过 编码后不 但减 少 了 线 间 耦 合效 应 所带米的串 扰 延 时，而且提 高 了 系统 的抗 干 扰 能力 ，从 而实现延 时、 功 耗 和可 靠性 之 间 的良 好 折 中 。 可 见 编码的总线 结构 可 以 优 化 成每 个 检验位 是相应 信息位 西 的复 制 ，其 中 獵 编码羊 纠 错 编码 嘟 岷 希 纱 擞隡 东 南 大 学 硕上学 位论文 上一 第 三 章 冗 余总线 编码在片 上网 络 中 的应 用 ，但便 件 实现时，使 用 的门 电 路要 比】表 胗隓 码硬 什复 杂度比 较 东 南 大 学 硕：学 位论文果 也 可 以 川 于对 姆治 觥 缏 贩抡媸 腔 鵗 上并行 传输。根 据 镜 囊籌 ：艺文 献，每 根 走 线 的宽体 电 容 可 以 看 作 总线 与 第 憬 鹗 粝 叩钠 叫 邪宓 缛 荩 扑愕 贸鼍 胖 滴 。 第 三 章 冗 余总线 编码在片 上网 络 中 的麻用 东 南 大 学 硕 十 学 位 论 文 为 了验 证 本 设 计中 所加 入编 解码设 计方案的 功能， 需 要 人为 的 建 立 一个带有 串扰噪 声的硬件 环境 。本 设 计中 ， 在 两 个路 由节点之间 的 数据总线中 加 入串扰噪 卢， 米 模 拟长距离 总线上由于串扰而引 起的 误 码现 象。对于此 串拢 噪卢注 入机 制， 每 个错 误 所发生 的 位 置与 发生 的时 间 都是 伪 随机 产生 的 ， 同 时 ， 每 个数据顷都有可 能且只 能产生 一位 错 误 ， 也可 以设 置误 码率， 来 控 制错 码出 现 的 频 率。：错 码注 入模 块：故 据输 入延 迟控 制 售号频 率设 霄 蒜帧黠盟 黼 煮 蓝壁 亚磴淼 怎熟 弧 陖 ； 行数 据 ： 并 行输 入信号， 接收来 自数据包 收发模 块 的 并 行数据； 数据包 收发模 块如图 所示 ， 此 模 块 的 作 用有 两 个： 闶保 陕酚 桑 ， 点的 本 地 端口将 数据包 发肝 东 南 大学 硕 上学 位 论文 ： 数据包 输 入信号， 接收路 由节点发送 的 数据包 。 譬 输 入端口 图 两 个路 由节点物 理层之间 的 连接示 意 图 ： 控 制信号， 表 示 数据被 成 功的 接收 数据链 路 层的 主 要 目 的 是 在 网 络 中 建 立 逻 辑 上的 链 接， 将 比特 流组织成 数据链 路 协 议 数制， 主 要 解决 如何 使 数据分组跨 越 通 信子 网 从源传送 剑 目 的 地 的 问 题， 这 就需 要 在 通 信子 网中 进行路 由选 择。另外， 为 避免 通 信子 网 中 出 现 过 多 的 分组而造成 网 络 阻塞 ， 需 要 对流入的分组数量 进行控 制。当分组要 跨 越 多 个通 信子 网 才能剑 达目 的 地 时 ， 还要 解决 网 际 互 连的 问题。在 本 文 中 ， 网 络 层主 要 实 现 了将 数据信息 以包 的 形式 在 各路 由节点中 交换传输 。 传输 层 东 南 大学 硕 上学 位 论文图 路 由节点内部 结 构童当路 由： 肖点接收到含 有头部 信息 的 数据帧 时 ， 仲 裁模 块 判 断是 否 允 许 接收当前 数据包 ， 图 路 由示 意 图 与 交换列 表当数据包 中 所有的 数据帧 被传输 后 ， 此 次 连接将 被关 闭 。通 常可 以采 数量 。这 些内 部 的 输 入缓存 路 由 点的 时 序 仿 真 ， 匝 反 娲 莸 姆 绞 絔 ： 作 ， 分别 为 本 地 端口的 接收请 求 信号， 接收输 入数 据信号， 接收应 答 信号和路 嘲 ： 毒 一嘲 魂 悯嘲 经 过 嗦氲穆胱 窒 蛄緼 產 应 满足 下 式 ： 本 文 的 验证 和 凋试， 是 利刚 在 线逻 辑 分 析仪 和 ， 和 狽 节点南 侧端 口 的个节点输 入和 输出 的 相 关 信号 ， 其 他 节点中 的 数 据 的 传 输过程 是 相 似的 。 团 固 厂 讣 赋 广 臣 譊二 玉二 互 础。 诎 籰 疪 信号 数 据 变为 “ 薄 节点的 曲 侧端 口 接收 数 据 之前， 先 要经 过纠 错 模 块 ， 从 波 形中 节省 面积型编解码方案 的 验证图 疚 =谑 婊 头 桨傅难橹 瓮 迹 贾 衦 ， ， 籵 卯。 蛐 学 瓜冈 唧 略【 】臻 妇士必 輗卫趣卫 一弩 ， 、 一 瘛 ! 猒 猨成 功的 纠 正一 位 错 码 。 涸诮 谑 婊 头 桨 钢 校 加 玫淖试次 # 位 路 由模 块 少了 一 个编码 器， 但 是 节点内 部输 入缓 存 以 及 路 由计 算时所需 的 其 他 寄存 器位 宽的 增 加 带 来了 更 多 的 资 源占用 。表 两种方 案 占用 资 源比 较 淙 氩 檎 冶 第 五 章 总 结与 展 望分 析了 在 片 上网络通 讯 中 ， 信号 间 串 扰 延 时的 产 生