多核體系結(jié)構(gòu)中基于共享存儲器與片上網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)研究.pdf

1、隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的核能夠被整合在單一芯片中。這種多核芯片能夠為系統(tǒng)提供高的計算能力和低的能量消耗。目前多核技術(shù)已經(jīng)在主流應(yīng)用中起著重要的作用。隨著多核系統(tǒng)的興起，一些問題也亟待解決，其中之一便是多核體系結(jié)構(gòu)中的通信問題。多核體系結(jié)構(gòu)中核間的數(shù)據(jù)交換、同步機制等都需要通過通信來實現(xiàn)。如果通信技術(shù)無法滿足核間通信的需求，即使芯片內(nèi)集成的核數(shù)越來越多，系統(tǒng)的整體性能也將被通信性能所限制而無法被充分利用，所以通信技術(shù)的研究對

2、多核系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要。
　　目前多核體系結(jié)構(gòu)中有兩種主要的通信結(jié)構(gòu):一種是基于共享存儲器結(jié)構(gòu)，由于可重構(gòu)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)靈活多變，能夠更全面、深入的對多核系統(tǒng)中的通信技術(shù)進行研究，所以在基于共享存儲器結(jié)構(gòu)方面，本文基于可重構(gòu)系統(tǒng)展開研究;另一種是基于片上互連的結(jié)構(gòu)，片上互連結(jié)構(gòu)包括交叉開關(guān)、總線、片上網(wǎng)絡(luò)等，與其它片上互連結(jié)構(gòu)相比，片上網(wǎng)絡(luò)更適用于核數(shù)較多、通信量較大的系統(tǒng)，所以在片上互連方面，本文針對片上網(wǎng)絡(luò)進行研究。
　

3、　本文基于以上兩種通信結(jié)構(gòu)，對多核系統(tǒng)中的通信效率和實時性問題進行了深入的研究。首先，在基于共享存儲結(jié)構(gòu)中，給出了兩種新型的共享存儲器通信的解決方案。其次，在基于片上互連結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)片上網(wǎng)絡(luò)通信的特性，提出了提高通信效率和保證通信實時性的方法。具體來說，本文工作主要包含以下幾個方面:
　　(1)改進了ImpulseC中的共享存儲器通信機制。ImpulseC是一種被廣泛應(yīng)用于可重構(gòu)系統(tǒng)中，對軟硬件進行協(xié)同設(shè)計的高級語言，該語言為軟

4、硬件通信提供了大量的通信機制，但這些通信機制的設(shè)計主要考慮的是通用性，并沒有充分利用FPGA內(nèi)的硬件資源。本文提出了一種改進的共享存儲器通信結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使ImpulseC的共享存儲器通信機制能夠充分利用BRAM的雙端口結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明改進的結(jié)構(gòu)能有效的提高共享存儲器的訪問性能，進而提高系統(tǒng)整體的執(zhí)行效率。
　　(2)研究了可重構(gòu)系統(tǒng)中軟硬件任務(wù)的共享存儲器通信方法。本文為可重構(gòu)系統(tǒng)中的硬件任務(wù)引入了一種基于虛擬存儲的通信機制，并

5、提出了一種能夠被硬件任務(wù)使用的類似于軟件存儲管理單元(MMU)的硬件模塊。該硬件模塊能夠為硬件任務(wù)的通信帶來方便。
　　(3)研究了片內(nèi)多核和片外存儲器的通信性能。片內(nèi)多核和片外存儲器的通信效率較低，嚴重限制了系統(tǒng)的整體性能。本文在映射問題中考慮了片外存儲器的通信效率問題，基于片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了一種存儲器訪問敏感的映射算法。該算法提高了SDRAM訪問的并行性，從而提高了片外存儲器的通信性能和系統(tǒng)整體的執(zhí)行效率。實驗結(jié)果表明與經(jīng)典的

6、片上網(wǎng)絡(luò)映射算法相比，本文提出的映射算法能夠顯著提高存儲器的利用率和系統(tǒng)的吞吐量。
　　(4)研究了片上網(wǎng)絡(luò)有環(huán)通信集的實時調(diào)度問題。本文針對有環(huán)的通信集提出了兩種實時調(diào)度算法基于虛通道的實時調(diào)度(CS-VC)和基于時間隔離的實時調(diào)度(CS-TI)，并給出了通信集用這兩種算法可調(diào)度的充分條件。實驗部分將CS-VC和CS-TI與目前最先進的能用于有環(huán)通信集的實時調(diào)度算法進行了比較，實驗結(jié)果表明CS-VC和CS-TI有更高的接收率。<

7、br>　　(5)研究了片上網(wǎng)絡(luò)端到端任務(wù)的截止期規(guī)劃問題。本文對片上網(wǎng)絡(luò)中端到端任務(wù)實時性問題進行了深入的研究，提出了三種用來確定子任務(wù)截止期的啟發(fā)式算法。這些算法通過端到端任務(wù)的截止期規(guī)劃，保證了端到端任務(wù)的實時性。實驗部分將本文提出的三種算法與經(jīng)典的比例截止期規(guī)劃算法進行了比較，結(jié)果表明本文提出的三種算法能夠更好的保證端到端任務(wù)的實時性。
　　綜上，本文研究了基于共享存儲器通信方式和片上網(wǎng)絡(luò)的高性能、實時的通信方法，為多核系統(tǒng)