基于故障感知的片上網(wǎng)絡(luò)映射算法研究.pdf

1、集成電路工藝技術(shù)日新月異的發(fā)展，極大地提高了芯片集成度，基于傳統(tǒng)總線的片上系統(tǒng)（SoC）架構(gòu)的諸多弊端日趨突出，片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。其中，資源應(yīng)用需求作為NoC系統(tǒng)發(fā)展的核心動(dòng)力，對系統(tǒng)總體性能提出了更高的要求，使NoC系統(tǒng)規(guī)模逐年增長。但由于芯片特征尺寸的降低，內(nèi)部功耗密度的增大以及芯片面積的限制，導(dǎo)致NoC芯片的內(nèi)部缺陷逐漸增多，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的性能和可靠性，設(shè)計(jì)故障感知的資源管理方案刻不容緩。因此本文以NoC系統(tǒng)

2、為背景平臺(tái)，重點(diǎn)研究NoC故障模型并進(jìn)行相應(yīng)的故障建模工作，針對NoC系統(tǒng)故障、性能和功耗多優(yōu)化目標(biāo)下的任務(wù)管理問題，分別設(shè)計(jì)了基于故障模型的NoC容錯(cuò)映射算法，以及具備故障感知能力的NoC低功耗動(dòng)態(tài)任務(wù)映射方案。
　　首先，本文通過對NoC故障原理進(jìn)行分析，以及對NoC生命周期故障模型進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，建立了基于NoC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角落（CornerR）、邊界（SideR）和中間（MiddleR）三類路由器故障模型，并根據(jù)故障節(jié)點(diǎn)的

3、位置及方向、故障節(jié)點(diǎn)的數(shù)量等進(jìn)行了進(jìn)一步的分類研究；同時(shí)還建立了NoC橫向和縱向兩類鏈路故障模型，并結(jié)合任務(wù)映射問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。
　　然后，在研究國內(nèi)外現(xiàn)有感知故障的NoC容錯(cuò)方法，建立運(yùn)用于本文研究的映射平臺(tái)，以及建立相應(yīng)的映射算法性能評估體系的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種基于故障模型的NoC容錯(cuò)映射算法FMA（FMA），旨在針對本文提出的三類路由器故障模型和兩類鏈路故障模型進(jìn)行容錯(cuò)。在算法設(shè)計(jì)中，提出了基于寬度優(yōu)先遍歷的考

4、慮多優(yōu)先級的優(yōu)化任務(wù)排序算法，旨在映射準(zhǔn)備階段優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信性能；設(shè)計(jì)了考慮鄰居節(jié)點(diǎn)故障情況的首節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方法，以完成映射區(qū)域選擇的優(yōu)化；在進(jìn)行任務(wù)映射時(shí)，對故障區(qū)域進(jìn)行避讓來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能。該算法面向具體的故障模型進(jìn)行容錯(cuò)，具有較強(qiáng)的針對性。
　　緊接著，通過分析現(xiàn)有任務(wù)映射算法缺陷和不足的基礎(chǔ)上，本文建立了一種新型的基于備用核技術(shù)的故障模型；基于備用核故障模型并以NoC系統(tǒng)故障、功耗和系統(tǒng)性能為多優(yōu)化目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了故障感知的低功耗

5、動(dòng)態(tài)任務(wù)映射方案FLDMA（FLDMA）。在算法設(shè)計(jì)中，提出了最小映射區(qū)域選擇方法，旨在降低網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，來提高NoC系統(tǒng)的通信性能；設(shè)計(jì)了首節(jié)點(diǎn)優(yōu)化策略，并考慮了節(jié)點(diǎn)故障率來優(yōu)化備用核數(shù)目及具體位置，對映射區(qū)域的選擇進(jìn)行了優(yōu)化；在進(jìn)行動(dòng)態(tài)任務(wù)映射時(shí)，提出了一種實(shí)時(shí)感知NoC系統(tǒng)狀態(tài)、并根據(jù)發(fā)生故障節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)來設(shè)置備用核的數(shù)量和具體位置、實(shí)時(shí)進(jìn)行任務(wù)遷移的映射方案，在不影響已運(yùn)行應(yīng)用的基礎(chǔ)上，盡最大可能地降低故障對運(yùn)行應(yīng)用的影響，并降

6、低NoC系統(tǒng)的通信總能耗。
　　最后，通過所搭建的NoC仿真平臺(tái)，對本文提出的算法和方案分別進(jìn)行仿真驗(yàn)證及評估。結(jié)果顯示，本文第三章提出的FMA容錯(cuò)映射算法與當(dāng)前較優(yōu)的容錯(cuò)映射算法相比，其平均網(wǎng)絡(luò)發(fā)包延遲有近19.8％的優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)吞吐量有近27.7%的優(yōu)化，表明其具有較好的容錯(cuò)和系統(tǒng)性能優(yōu)化能力；本文第四章提出的 FLDMA故障感知低功耗映射方案具有較好的整體性能，與當(dāng)前較優(yōu)的故障感知映射算法相比平均加權(quán)曼哈頓距離AWMD值優(yōu)化了