片上网络的设计与实现

片上网络的设计与实现

1共享介质的性能随着纳米级互联技术和赛马系统（柯克）技术的发展，赛马系统多处理器（cmp）技术开始向多核化（数十或数百名核）和异构化（包括不同类型的核）发展。目前，SoC设计中广泛采用的共享总线结构存在许多问题，是影响CMP性能的主要瓶颈：(1)带宽限制。总线是一种共享介质的互连结构，某一时刻只允许一个设备使用总线，仲裁逻辑允许高优先级的设备获得总线的使用权。在总线被占用期间，其他所有请求被阻塞，直到总线空闲。当很多部件争用一条总线时，会造成严重阻塞，并会降低总线频率等。(2)信号集成度。更低的电源电压及更小的特征线宽使得整个SoC系统对电流中的噪声更加敏感，而共享介质上的功能部件则进一步加重了噪声。(3)信号延迟。随着集成特征尺寸的下降，连线延迟成为影响信号延迟的主要因素。总线结构是全局控制的，在10亿晶体管时代，全局连线延迟大于时钟周期，因此，总线结构的全局连线使得时钟的偏移很难管理。(4)全局同步。全局连线上的信号延迟决定了系统的时钟周期，为了保持甚至提高系统时钟频率，只能对全局连线进行分布式流水线模式，或采用全局异步局部同步(GALS)的时钟模式。由于共享总线结构已经无法满足SoC系统的需要，因此把互连网络用于片上系统设计，解决片上组件之间的通信问题，即片上网络(Network-on-chip,NoC)2网络带的互联互通NoC的研究始于1999年NoC的提出借鉴了并行计算机的互连网络。该网络是一个板级的网络，而NoC是一个单芯片上的网络。NoC与并行计算机的互连有很多相同点，如支持包通信、可扩展、提供透明的通信服务等，也有很多不同之处(1)网络的两性分析在NoC中，最适合且使用最广的网络结构是包交换的直接网络。每个节点通过双向通道连接到相邻的节点。直接网络有4个属性：1)节点度：一个节点与相邻节点连接通路的数目；2)直径：网络中2个节点之间的最大距离；3)规整性：若所有节点度都相等，那么该网络是规整的；4)对称性：如果网络从每个节点看都是一样的，则该网络是对称的。并行计算机高性能计算的特点决定了其互连网络是对称和规整的，而SoC主要应用在嵌入式系统领域，其网络既不对称也不规整。NoC是异构的，连接不同的处理部件(RISC处理器、VLIW处理器、DSP处理器、专用处理器等)和存储部件(RAM、Flash等)，通信量的分布也是不均匀的。在大规模的片上系统中，NoC并非单一的拓扑结构，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(2)微控制数据和路由NoC的通信协议比总线协议复杂得多，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。路由和报文大小是NoC协议的核心。为了有效、公平地利用网络资源，通常把消息分割成报文再进行传输。报文是最小的通信单位，报文头中包含了目的地址和顺序信息。如果报文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，报文就会被阻塞，不能前进。有效的路由是互连网络性能的关键，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，如果网络的路由可预先得到，就能提前更新路由表，进行路由的预调度。在NoC中，报文大小的选择也很重要。报文的大小与路由部件的缓冲区大小有关(3)cdp传输过程在NoC的路由决策时，可以提供服务质量，保证关键部件的网络带宽或者延迟，其他通信则采用尽力而为的路由策略。此外，在纳米/深亚微米级CMOS工艺下，串扰和压降等问题使得部件之间的连线不可靠，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，遇到数据错误时，需要进行重传。NoC通过数据流控机制保证服务质量。3noc结构3.12d网格结构有限节点的2D网格结构3.2循环结构2D环面(2Dtorus)是在2D网格结构基础上的一个变形3.3相邻道路的结构旁路环面结构(bypasstorus)在连线上更加繁密3.4网络连接从NoC结构方面提高网络性能的方法有很多，如减小全局网络最大互连线的长度或增加输出缓冲器的尺寸4日耗小、同步功能增强NoC体系结构中有2类部件消耗能量：路由节点和线路路由器。为传送一个单独的Flit数据，路由节点的功耗可通过计算横杆、判定、决议单元及在设计中置放和路径安排的输出缓冲所消耗的能量来估算，并假定有50%的切换活动用于Flit数据。然后运用整个操作期间为传送Flit数据包所发生的中继平均数目和每个早期估算的中继功耗来估算路由节点全部功耗。图5采用了归一化处理，显示了2D网格等4种NoC结构的最大功率消耗量，结果表明，2D网格结构NoC的性能和功耗都最差，但其结构最简单。动态功耗的比较显示了聚束环面NoC结构具有最小的动态功耗，是2D网格结构NoC的一半，比2D环面结构低29%。主要原因是它穿过网络所需的中继较少、横杆较低、缓冲激化数目较少。另外，飞级数据的大小对功耗影响较小，因为每个数据包必须传递相同位数，即每个中继中的相同数量电容必须拴在一起（互连电容除外）。由于每个中继的互连能量远低于每个中继的路由能量，因此建校网络距离是减少动态功耗的有效方式。漏电功耗的最坏情况是假设在一个有效仿真周期中，所有缓冲器都处于上电过程，NoC结构还在传输有效数据包。当控制单元和横杆结合的数目较小时，聚束环面NoC结构具有最小的漏电功耗，并保持很好的性能。5新型noc体系结构NoC作为基于多处理器技术的一种