采用FPGA的NoC验证平台实现方案

采用FPGA的NoC验证平台实现方案

半导体工艺技术进入深亚微米时代后,基于总线系统芯片SoC(Svstemon

Chip)的体系结构在物理设计、通信带宽以及功耗等方面无法满足未来多IP体

系发展的需求。片上网络NoC(NetwotlkonChip)是一种新的系统芯片体系

结构，其核心思想是将计算机网络技术移植到系统芯片设计中来，从体系结构

上彻底解决总线架构带来的问题。

研究人员从拓扑结构、路由算法、交换策略以及流控机制等多个方面对NoC

进行研究，但是如何构建NoC验证平台，快速得到NoC的性能也一直是NoC研

究的重点。

在过去的几年里，一些研究机构提出了对于NoC不同抽象层次的验证方法

的研究，一般的NoC验证是基于软件的假真和建模，如：用C、也、SvstemC

进行系统级建模仿真，这样验证很灵活，但在仿真时间上却开销很大。本文提

出的基于FPGA的NoC验证平台在仿真速度方面是一般基于HDL的软件仿真的

16000倍，而基于PC机编写的NoC软件更增强了该平台的灵活性和实用性。

1验证平台架构

该验证平台采用模块化设计，可以很容易地对不同的NoC进行功能验证和

性能*估。图1给出了该验证平台的基本架构。

图1基于FPGA的NoC验证平台架构

它主要包括3个模块：

1)模拟IP核模块该模块包含有数据流量产生器TG(Traffic

Generator)模块及数据流量接收器TR(TrafficReceiver)模块。TG模拟产

生NoC网络中各个TP节点可能产生的数据流量，TR用于收集NoC运行过程中

的各种信息。TG/R作为一个IP节点和待测NoC中的每个交换节点相连接。

2)微处理器MPU及其接口MP1模块PC机通过MPU(FPGA中自带的Nj至II

软核)和MPI实现对NoC各IP核中TG内部各个配置寄存器的配置，并将TR中

各个寄存器的内容读取到PC机中进行处理。本模块和模拟IP核模块构成FPGA

硬件平台。

3）NoC软件模块完成对NoC的配置以及NoC系统的性能统计。PC机通过

MPU与FPGA进行通信，实现对NoC的配置并从FPGA中得到数据并进行后端处

理，以图形的方式显示给用户，供用户对所设计的NoC进行*估。同时PC机可

以监控NoC运行的情况。

FPGA采用Ahera公司StratixIV系列中的EP4SGX230KF40C2,该器件能够

提供高速的时钟信号和大量的片内资源，并具有大量外围接口电路可供使用，

这为基于FPGA的验证提供了强有力的保证。

1.1流量产生器TG

该平台中的TG是一个可重用的软核，用户可以通过为配置寄存器写入不同

的配置信息使其产生不同的流量并注入NoC中。TR用于接收数据信息，并统计

发包数和收包数。

记录延时信息，统计误码个数。图2给出了TG、TR和MPI以及NoC之间的

数据流向。

图2TG.TH和MPI以及NoC之间的金据流向

在片上网络中，流量的分布由以下2方面决定：1）流量的源/目的节点对

的分布，即空间位置上的通信概率分布，称为空间分相；2）流量注入网络时，

注入网络的时间间隔在时间上呈现的概率分布，称为时间分布。为了使该平台

达到*价NoC性能的目的，流量产生器TG将从空间分布和时间分布的不同，模

拟出不同的流量。

空间分布主要包括：1）给定目标地址：即配置TG产生发往确定目标地址

的数据包；2）均匀分布：即配置TG产生均匀的发往网络中各个节点的数据

包，类似于网络中的广播现象；3）热点分布：即配置TG产生发往网络中一些

特定的数据交换相对频繁的节点的数据包；4）局部分布：即配置TG产生发往

网络中某一局部的网络距离较近的节点的数据包；5）矩阵转换地址分布：即按

照矩阵X,Y向量转置的特点。配置TG产生发往与发送节点地址相对应的节点

的数据包。

时间分布主要包括：1）确定时间间隔：即配置TG每过一定数目的时钟周

期发送1个数据包，直到停止发包为止；2）自相似流量模型：即ON-OFF流量

模型。即配置TG在一段时间内发送数据包，在一段时间内停止发包。此类流量

模型就是模拟现实中在某一段时间突发很大的流量，而在另外的时间段不产生

流量；3）随机分布：即配置TG在发送1个数据包之间的间隔是1个随机时钟

周期数。

空间分布和时间分布一般会交错配置使用，那么组合之后可以产生十儿种

不同的流量模型.另外，数据包的格式可以是用户指定的数据，也可以是伪随

机序列PRBS（PseudoRandomBinarySequences）o数据包的大小亦可由月户

指定，以数据片为单位，最小的数据包包含4片，最大的数据包包含511片。

那么将流量模型和数据格式以及数据包的大小组合起来，就会产生种类更为丰

富的流量模型。

流量产生器TG内部设有多个配置寄存器，包括：发包使能寄存器，发包间

隔寄存器，发包地址和数据寄存器以及发包类型寄存器。这些寄存器统一编

址，用户可以通过配置这些寄存器控制TG工作。

1.2流量接收器TR

流量接收器TR用于收集收发包数目，收发包的收据片，并且统计误码和时

延信息。为了达到此目的，TR内部设有多个只读寄存器，包括：发包个数寄存

落.收包个数寄存器，发包数据寄存潜，收包数据寄存器，中断寄存器，误码

计数器以及延时寄存器，延时寄存器可以保存最近80个包的延时信息。这些寄

存器统一编址，可以通过访问这些寄存器来读取各种用于功能验证和性能*估的

原始数据。

1.3微处理器MPU及微处理器接口MPI

微处理器MPU是在QuartusII软件的SOPCBuilder工具中定制的。它包括

1个NiosH处理器IP核和外围的一些并行输入输出接口。NiosIH系列嵌入式

处理器是一款通用的RISC结构的CPU,使用32位指令集结构（ISA）的二进制

代码兼容。将NioslI处理器嵌入到FPGA硬件平台中，配合整个系统实现验证

的功能。该平台在所定制的NiosH处理器的外围还加入读信号、写信号、地址

信号、输入数据信号、输出数据信号和中断信号等，来完成PC机和FPGA硬件

平台之间的数据通信。

NiosII处理器外围还包括一个锁相环（PLL）软核，用于提供NoC电路中所

需要的各种时钟频率。微处理器MPU与TG/R通信时，读写控制时钟作为突发

时钟，频率一般比较低。而NoC中交换节点之间的数据交换会由于特定电路的

不同，工作时钟频率会大小不同，那么根据此工作频率，PLL产生相应的时钟

信号配合其工作。MPU处理器仅占StratixIVEP4SGX230KF40c2器件2820个

逻辑资源LE（LogicElement）（即1%）。因此使用非常高效。

该平台还提供一个通用的微处理器接口MPL用于保障MPU和TG/R之间的

数据通信，也为MPU和TG/R的重复使用提供了统一接口。

1.4NoC软件

NoC软件主要完成对FPGA硬件平台的初始化配置和信息收集及统计处理。

根据功能划分为2部分：

1）NoC测试部分其基本功能包括对FPGA硬件平台的各个IP中TG内部配

置寄存器的初始化配置，启动产生数据流并注入到NoC中，同时对NoC的运行

情况进行监控，并实时收集与功能验证和性能*估相关的信息。该软件是在

NiosH的集成开发环境（IDE）下用C语言设计开发的,在GNU的编译器下编译

之后形成可以上载到MPU上直接运行的二进制文件。

2）NoC性能统计处理部分该部分的主要功能是借助于第三方绘图工具按照

NoC性能统计规则对收集到的数据进行统计处理，并以图表的方式直观显示NoC

的基本功能和统计学性能。

以上两部分都是在PC机上开发完成的，可应用于对不同NoC的测试与验

证。这为基于FPGA的鲤件验证平台增强了灵活性和实用性。

2仿真验证流程

该验证平台的验证流程包括FPGA硬件平台的构建和对该硬件平台的初始化

配置以及NoC运行之后的信息收集和统计处理。为真验证流程如图3所示。

图3仿真验证流程

其流程简述如下：1）根据硬件架构思想和模块化设计策略将用HDL语言描

述的NoC连接到FPGA硬件平台；2）初始化配置FPGA硬件平台，在PC机上编

写NoC测试软件，并通过Jtag线下载到MPU上运行，配置TG产生指定流量，

并注入到NoC中；3）当FPGA平台运行时，即当数据在NoC各个交换节点之间

传送或停止传送时，用户可以随时改变配置以产生不同的流量，来测试NoC在

不同流量下的性能，并随时*测试平台的运行情况；4）将TR收集到的数据在

NiosHIDE的控制台显示，并保存数据。然后对收集到的数据进行统计处理，

并以图形的方式直观显示待测NoC的性能。

3NoC性能统计处理

在验证平台中，采用PC机对NoC中运行之后相关的数据进行处理.，并借助

于第三方工具将处理结果以图形方式显示，以直观表示NoC的性能。该平台对

于课题组设计的Mesh结构的NoC进行了功能验证和性能*估。

主要处理包括平均网络吞吐量和最近收到的80个数据包从发送端到接收端

的网络平均延时以及误码统计，下面简单介绍性能*估的方法：

1）网络平均吞吐量对于TR收集到的收包个数通过PC读取之后，绘制性

能曲线图。以归一化仿真时间为基准，以相同时间段中收集的数据包数目作为

网络总吞吐量。

式中，总运行时间xlO%表示取归一化时延的1/10o

图4给出了在不同流量模型下，每包4个数据片时，所设计NoC的网络平

均吞吐量。

二

现

/

*,

4

肾

*

史

丁

地址纥力.■灵时引，隔

序肥加J匕［梢依成,立

局配地址.陈机分布

G.507b0^V.X0.9

归一化仿衰H同

W4不同流政模型FM网络平均吞吐量

2）平均网络延迟对于TR收集到的最近80人数据包从发送端到接收端的

延迟信息，以归一化仿真时间为基准，计算平均网络延迟：

o.i0.20.50.60.70.80.9

«一亿访工时间

图5不同流址模舒F的平均网络延迟

式中，P是发包总数，每个包的延迟为Li,那么Latency就是一段时间内

的平均网络延迟。

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