多核SoC中的片上網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著集成電路制造工藝的進(jìn)步以及應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，未來SoC系統(tǒng)將變得非常復(fù)雜，單個(gè)芯片上將集成數(shù)百個(gè)處理核心。對(duì)于這樣高集成度的復(fù)雜多核SoC（MPSoC），核間如何進(jìn)行通信成為一個(gè)關(guān)鍵問題。為未來MPSoC提供一個(gè)功耗低、性能高、可擴(kuò)展性強(qiáng)的片上通信架構(gòu)，已成為近年來研究的熱點(diǎn)。
　　傳統(tǒng)的片上通信結(jié)構(gòu)（如片上總線）由于可擴(kuò)展性差、能量效率低、帶寬小等諸多限制不再適合未來MPSoC的通信需求，基于通信分層設(shè)計(jì)方法的片上網(wǎng)絡(luò)（NoC

2、）技術(shù)為MPSoC通信問題提供了嶄新的解決途徑。本文從NoC的分層抽象模型出發(fā)，著重對(duì)MPSoC通信網(wǎng)絡(luò)的物理鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和系統(tǒng)層的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行了研究。本文的主要研究工作包括：
　　第一，在NoC的物理鏈路層，提出了一種用于降低全局互連延時(shí)與能耗的DISP時(shí)間編碼技術(shù)，它基于一個(gè)有效的時(shí)間編碼電路，能夠根據(jù)輸入的當(dāng)前狀態(tài)和早先狀態(tài)動(dòng)態(tài)構(gòu)建合適的屏蔽信號(hào)，隔離時(shí)間上相鄰的有效數(shù)據(jù)，達(dá)到消除相鄰連線上同時(shí)反向翻轉(zhuǎn)和減少耦合翻轉(zhuǎn)次數(shù)

3、的目的。在此基礎(chǔ)上，又結(jié)合BI空間編碼減少自翻轉(zhuǎn)次數(shù)的特點(diǎn)，給出了一個(gè)能量效率更好的BIDISP時(shí)空編碼技術(shù)。其中，設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的多數(shù)投票器電路結(jié)構(gòu)，具有速度快、動(dòng)態(tài)功耗低和零靜態(tài)功耗的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)降低BI空間編碼器引入的能耗和延時(shí)開銷具有重要作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種編碼技術(shù)可以有效減少全局互連的延時(shí)和能耗。
　　第二，在NoC的物理鏈路層，針對(duì)互連優(yōu)化問題，提出了一種用于全局編碼互連總線的中繼器插入優(yōu)化方法，以確定中繼器在互連中的

4、合適尺寸和插入位置，使得在滿足目標(biāo)延時(shí)和信號(hào)斜率要求的同時(shí)互連的總能耗最小。優(yōu)化過程中，采用了一種高效的GA-SQP混合算法，對(duì)保證最優(yōu)解的精度和加快收斂速度起到了很好的效果。基于該方法，可以為DISP和BIDISP編碼總線快速獲得信號(hào)斜率約束下的互連能耗與延時(shí)的最佳折中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與SPICE模擬相比，該優(yōu)化方法具有90％以上的精度，而且速度加快了約45倍。
　　第三，在NoC的網(wǎng)絡(luò)層，針對(duì)基本的BE（Best-Effort

5、）通信服務(wù)，提出了一種基于虛擬通道的低延遲低功耗的蟲孔交換路由器結(jié)構(gòu)。該路由器同時(shí)支持確定性和自適應(yīng)路由算法，簡(jiǎn)化了自適應(yīng)路由引入的亂序問題；允許所有的虛擬通道并行參與輸出調(diào)度，提高了輸出調(diào)度成功的概率；并將虛擬通道分配與交叉開關(guān)分配融合在同一流水級(jí)中同時(shí)執(zhí)行，增加了自適應(yīng)路由判斷的準(zhǔn)確性；還引入了單個(gè)虛擬通道緩存多個(gè)數(shù)據(jù)包的機(jī)制，在提高緩存資源利用率的同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)延遲。此外，提出的虛擬通道分配方案，不僅實(shí)現(xiàn)了路由死鎖避免，而且將傳統(tǒng)

6、5X5的交叉開關(guān)減小為兩個(gè)弱耦合的4X2的交叉開關(guān)，降低了硬件資源開銷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該路由器結(jié)構(gòu)能有效降低平均網(wǎng)絡(luò)延遲、功耗及面積開銷。
　　第四，在NoC的網(wǎng)絡(luò)層，針對(duì)服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障問題，提出了一種基于虛電路方式提供QoS硬保障的BE/GS路由器結(jié)構(gòu)。該路由器結(jié)構(gòu)，采用了一種帶回退機(jī)制的自適應(yīng)尋路策略，有效提高了分布式建立GS虛連接的成功率；在GS數(shù)據(jù)傳輸階段，采用了一種面向連接的QoS調(diào)度算法并理論證明了算法的正確性

7、，該算法通過分布式地動(dòng)態(tài)調(diào)整GS連接在每個(gè)路由器中的優(yōu)先級(jí)，有效解決了共享同一物理鏈路的不同GS連接之間的傳輸沖突問題，從而保障了延遲、帶寬和延遲抖動(dòng)等QoS需求，并支持多種帶寬申請(qǐng)，實(shí)現(xiàn)了差異化的帶寬保障服務(wù)。通過給BE通道分配動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)和監(jiān)控GS流量?jī)煞N方法，改善了BE服務(wù)質(zhì)量，并克服了虛電路方式的資源利用率低缺點(diǎn)。
　　第五，在NoC的系統(tǒng)層，研究對(duì)象已不再是單純的片上通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而是包含了應(yīng)用軟件以及硬件平臺(tái)（處理核和通

8、信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）的整個(gè)多核SoC系統(tǒng)。針對(duì)“固”NoC平臺(tái)，提出了一種面向異構(gòu)NoC能量最優(yōu)的軟/硬件協(xié)同綜合算法，以性能需求為約束條件，以包含網(wǎng)絡(luò)通信功耗及IP核執(zhí)行功耗的總功耗為優(yōu)化目標(biāo)，完成軟件（任務(wù)分配、任務(wù)調(diào)度、路徑分配）和硬件（PE映射）的協(xié)同設(shè)計(jì)。并對(duì)算法綜合結(jié)果應(yīng)用動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)制（DVFS）技術(shù)進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。利用周期精確的SystemCNoC模擬器驗(yàn)證了算法綜合結(jié)果的正確性。實(shí)驗(yàn)表明，該綜合算法在滿足應(yīng)用實(shí)時(shí)性要求的