片上網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、片上網(wǎng)絡(luò)（Network on Chip, NoC）具有可重用可擴(kuò)展以及支持并發(fā)通信等特點(diǎn)，已經(jīng)成為大規(guī)模片上系統(tǒng)SoC設(shè)計(jì)中解決全局互連與通信問題的有效方案之一。由于基于NoC通信架構(gòu)的SoC系統(tǒng)規(guī)模巨大，隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的縮小，功耗幾乎是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的約束，功耗的增加會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)熱量的增大和可靠性的下降。因此在NoC研究內(nèi)容中，低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文針對NoC通信架構(gòu)的SoC系統(tǒng)中功耗的主要來源

2、部分：通信節(jié)點(diǎn)通信功耗以及資源節(jié)點(diǎn)計(jì)算功耗，在系統(tǒng)級(jí)與體系結(jié)構(gòu)級(jí)層次上，進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)方法研究。重點(diǎn)解決了NoC路由節(jié)點(diǎn)中虛通道與緩沖區(qū)資源的分配、面向能耗的NoC電壓島劃分以及基于電壓島的NoC路徑分配等關(guān)鍵問題，以指導(dǎo)片上網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　針對片上網(wǎng)絡(luò)中虛通道資源平均分配所導(dǎo)致的面積與功耗開銷巨大的問題，提出了一種基于模擬退火算法的虛通道資源分配方法（Simulated Annealing

3、based Virtual Channels Allocation，SAVCA）。該方法在建立了二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)片上網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以傳輸延時(shí)性能為約束條件對虛通道資源進(jìn)行合理分配，通過提高虛通道利用率來減少其數(shù)目，達(dá)到最小化路由節(jié)點(diǎn)功耗開銷的目標(biāo)。采用均勻流量及熱點(diǎn)流量通信方式下的多組仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了SAVCA算法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保證傳輸延時(shí)性能的同時(shí)，經(jīng)過SAVCA算法對虛通道資源進(jìn)行合理分配后，可有效減少虛通道總數(shù)

4、，最高可降低29.9％的路由節(jié)點(diǎn)功耗。
　　針對NoC路由節(jié)點(diǎn)中緩沖區(qū)資源平均分配導(dǎo)致其利用率較低或傳輸延時(shí)較長等缺點(diǎn)，研究了緩沖區(qū)資源非平均分配方案，分別提出了傳輸延時(shí)性能優(yōu)化的緩沖區(qū)資源分配算法MP（Multi-Path）和傳輸延時(shí)性能約束的緩沖區(qū)資源分配算法SP（Single-Path）。MP算法采用多路徑傳輸方式來優(yōu)化通信負(fù)載分布，達(dá)到傳輸延時(shí)性能最優(yōu)，緩沖區(qū)資源需求最少；SP算法采用單路徑傳輸方式，以傳輸延時(shí)性能為約束條

5、件，最小化緩沖區(qū)大小?；谶@兩種算法，論文運(yùn)用排隊(duì)論理論建立了相應(yīng)的緩沖區(qū)資源分配問題數(shù)學(xué)模型，并采用模擬退火算法進(jìn)行緩沖區(qū)資源分配。通過均勻流量和熱點(diǎn)流量通信方式下的多組仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了兩種方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過這兩種方法對緩沖區(qū)資源進(jìn)行合理分配后，可在傳輸延時(shí)性能最優(yōu)或者滿足傳輸延時(shí)性能約束條件的同時(shí)，提高緩沖區(qū)利用率，最小化緩沖區(qū)大小，達(dá)到優(yōu)化路由節(jié)點(diǎn)功耗的目標(biāo)。
　　為解決因?yàn)殡妷簫u的劃分結(jié)果會(huì)影響系統(tǒng)可靠性、傳

6、輸延時(shí)以及能耗等性能指標(biāo)，并且電壓島數(shù)目過多會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜性等問題，提出了一種基于整數(shù)線性規(guī)劃（Integer Linear Programming，ILP）算法的電壓島劃分方法（ILP based Voltage Island Partition，ILPVIP）。在保證網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)（延時(shí)和可靠性等）的同時(shí)，完成了電壓島劃分，達(dá)到優(yōu)化NoC系統(tǒng)中計(jì)算能耗的目標(biāo)。通過嵌入式系統(tǒng)綜合評(píng)測E3S測試基準(zhǔn)中的多組應(yīng)用實(shí)例、隨機(jī)基礎(chǔ)測試用例以及一

7、個(gè)多媒體系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了ILPVIP算法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足多重約束條件的同時(shí)，ILPVIP算法最高可降低33.6%的系統(tǒng)總能耗。
　　針對電壓島島間通信會(huì)影響到數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和通信能耗、網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載不均衡易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題，研究了基于電壓島的NoC低能耗路徑分配問題，提出了一種基于電壓島的NoC路徑分配方法（Genetic Algorithm based Routing，GAR）。在保證通信延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)