高可靠片上網絡關鍵技術研究.pdf

1、SoC(System on Chip)內部以總線結構為基礎的核間通信方式在傳輸速率、延時、規(guī)模擴展、全局時鐘同步等方面面臨愈發(fā)嚴峻的挑戰(zhàn)，急需一種新的片上核間通信方式來解決這些問題，片上網絡（NoC, Network on Chip）隨之被提出。片上網絡將片上總線的通信方式轉變成基于網絡分層和數據包交換的方式，將任務執(zhí)行（運算、存儲）和數據傳輸通信進行了有效分離，有利于降低系統設計復雜度；同時，較總線結構,片上網絡還在擴展性、復用性、預

2、測性、定制性等方面都有明顯的優(yōu)勢，其必然代替片上總線成為新一代SoC片內通信的基礎設施，因此有必要對片上網絡中的關鍵技術進行分類研究。另外，SoC的集成度越來越高，其內部任何模塊故障都會對系統的性能產生影響，甚至導致整個SoC芯片失效，進而使整個系統停止工作，因此，系統設計時必須考慮必要的容錯措施，以提高整個系統的可靠性。
　　本文結合片上網絡的組成及研究現狀，就系統任務調度映射、網絡拓撲、路由算法等問題進行了詳細研究，以提高片上

3、網絡系統在功耗、吞吐率和平均延時方面的性能。同時，分別在應用層和網絡層進行了容錯設計研究。任務調度映射方面，結合片上網絡系統任務調度特點，設計了任務模型、通信核圖模型。通過模型能夠準確計算出任務在不同分配方案下的運行成本、通信成本以及遷移成本，為調度算法提供詳細準確的對比數據；同時，根據任務規(guī)模與可調用處理單元數目的相對關系，將任務調度問題劃分為兩種情況分類解決：對于任務規(guī)模相對可調用處理單元數較小，任務執(zhí)行只調用部分處理單元的情況，分

4、任務劃分調度與任務映射兩大步驟分別執(zhí)行；對于任務需要調用片上全部處理單元的情況則通過調度算法一步完成。將粒子群算法進行了適應性設計，使其適用于處理異構多核上的任務調度問題，同時解決了粒子群算法在任務調度前期收斂速度過快易出現早熟、后期局部搜索能力弱的問題。拓撲方面，針對不同類型任務的通信需求差異，分析了蜂窩網絡在數據通信方面的優(yōu)勢，設計了一種類蜂窩狀的片上網絡拓撲，整個拓撲結構規(guī)則，占用資源少，易于擴展。拓撲單元的中心位置可設置備有路由

5、節(jié)點，為通信密集型任務提供更多鏈路選擇，降低擁塞概率；同時對可靠性要求高的處理單元，設計了雙端口結構的網絡接口（NI, Network Interface），使得任何一個處理單元至少有兩條路徑與網絡進行數據收發(fā)，當部分路由節(jié)點出現故障時能夠快速切換到其他通信路徑，而不至于使整個系統的性能降低太多，提高了系統的可靠性。路由方面，引入了緩存占用率和數據包跳轉次數等參數，結合傳統的維序路由和禁止拐彎模型各自優(yōu)勢，針對類蜂窩片上網絡拓撲設計了一

6、種自適應容錯路由算法，算法保證了在數據傳輸過程中能夠很好的避開故障節(jié)點或區(qū)域，同時能夠實時的感知傳輸路徑上的擁塞情況并動態(tài)調整傳輸路線。NoC實現方面，在分析硬件仿真優(yōu)勢的基礎上，基于SoCKit平臺搭建了一個NoC系統，并在其上對半色調算法進行了并行優(yōu)化實現，驗證了系統功能。通過對以上關鍵問題的研究，有效的提高了片上網絡多核系統在應用層、網絡層和物理層上任務執(zhí)行效率，多種容錯措施的設計增強了系統的可靠性，對基于片上網絡多核系統的設計和