MPNoC設計中的面向對象層次化建模思想

劉 贏 王 易 周 健

[摘要]通過對大量現(xiàn)有多處理器片上網(wǎng)絡結構(MPNoC)的研究，提出將面向對象的思想引入NoC的設計中，并進一步將面向對象程序設計的三大特點：封裝性，繼承性和多態(tài)性應用到NoC設計當中，不僅提高Noc設計的靈活性，可重用性和可擴展性，而且大量縮短NoC模塊的設計時間。

[關鍵詞]面向對象MPNoC建模思想

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)1020100--01

一、引言

在多處理器片上系統(tǒng)(MPSoC)飛速發(fā)展的今天，多處理器片上網(wǎng)絡結構(MPNoC)的設計優(yōu)化慢慢成為MPSoC發(fā)展的瓶頸，隨著片上網(wǎng)絡(Network on Chip)的多樣化，現(xiàn)今沒有一個統(tǒng)一的成熟的平臺和技術來評價和優(yōu)化片上網(wǎng)絡結構，使得NoC的設計結構不清晰?？芍赜眯圆?，設計周期長，所以近年來，對片上網(wǎng)絡設計的優(yōu)化慢慢的引起了大家的重視，其中引入面向對象思想到片上網(wǎng)絡設計相信將成為下一代片上網(wǎng)絡設計的一個趨勢，早在1994年Kumar[1]就點明了面向對象建模技術對提高硬件設計性能的重要性，如，提高模型的可更改性，新模塊的結合性，提高模塊劃分，復用的能力和加速通用模塊的專業(yè)化等，隨后1996年w，Nebel和G，Schumacher[2]將面向對象的技術作為一種可以提高硬件設計生產力的手段來分析。前人的研究表明，將面向對象的思想應用于硬件設計是可能的，并且也是硬件設計發(fā)展的一個方向。

下面將首先介紹一種用于NoC設計的面向對象層次化模型[3]，然后分別從其封裝性，繼承性和多態(tài)性對其進行分析，最后進行總結。

二、NoC的面向對象層次化建模

片上網(wǎng)絡系統(tǒng)通常都包含多個不同功能的硬件單元模塊，這些單元模塊間通過復雜的交互來完成片上系統(tǒng)的通信，下面講解怎樣通過面向對象的思想來設計出常用的片上網(wǎng)絡基礎模塊，然后通過面向對象思想的繼承性和多態(tài)性對其進行擴展，這樣，不僅能將面向對象設計的優(yōu)點應用到硬件設計中，而且能很大程度的縮短片上網(wǎng)絡系統(tǒng)的開發(fā)時間。

為了使片上網(wǎng)絡的面向對象建模有較高的重用性，基礎類庫的設計是關鍵，本節(jié)的重點將在使用面向對象思想建立NoC設計的基礎類癢。有了這個基礎的類庫，許多經典的片上網(wǎng)絡模型都能建立，如經典的單總線結構。

圖1中首先表示出了4種基本的片上網(wǎng)絡模塊類型——連接(Link)，數(shù)據(jù)緩沖(Buffer)，接口(Interface)，控制器(Scheduler)，使用它們和它們的子類，可以組建現(xiàn)今一些經典的片上網(wǎng)絡系統(tǒng)，比如單總線結構。連接(Link)用于將片上網(wǎng)絡的各功能單元模塊連接到一起；數(shù)據(jù)緩沖(Buffer)用于暫時的存儲數(shù)據(jù)；接口(Interface)用于將單純的數(shù)據(jù)交換轉換成相應的具體操作，比如總線請求，封裝數(shù)據(jù)包i控制器(Scheduler)用于決定哪個模塊享有對共享資源的使用權，以保證整個系統(tǒng)有序的執(zhí)行。

不難發(fā)現(xiàn)上述4個基礎模塊類包含一些共同的特性，比如時鐘信號，數(shù)據(jù)位寬，所以使它們實現(xiàn)了同一個接口類(ClockModule)，該接口提供了cycleProcess()方法，該方法在接口中只有聲明沒有定義，需要在4個基礎模塊類中給出實現(xiàn)，通常該方法表示在一個時鐘周期內接收數(shù)據(jù)，改變模塊狀態(tài)或者輸出數(shù)據(jù)。4個基礎模塊類在繼承同一接口類的同時，每個模塊類都有自己的獨有的屬性，比如連接(Link)需要有更復雜的功能，需要位寬(bitWidth)，時延(latency)屬性和配置這些屬性的公有方法(1inkConfig())。

下面將分別從面向對象的三大特點：封裝性，繼承性和多態(tài)性來分析上述片上網(wǎng)絡的面向對象層次化模型，上述面向對象的設計方法是獨立于編程語言的，它可以應用于各種面向對象語言和平臺，但為了表述清楚，下面的偽代碼結構使用SystemC 2.0。

(一)封裝性

面向對象編程思想中，封裝指的是使對象成為黑盒的概念，這樣使用者使用對象時只需要知道其公有接口(公有函數(shù))，使用它們來操作對象屬性，而不能隨意修改對象的私有屬性，增加了程序的安全性。在模式方面。這一概念就變成了創(chuàng)建一個類型：類型是預先定義的，并且只要引用該類型就可以很容易地在任何地方創(chuàng)建和交換數(shù)據(jù)，完成該類型模塊功能。

現(xiàn)在創(chuàng)建一個連接(Link)類型，它指明了連接必須包含輸入端口(portIn)，輸出端口(portOut)，位寬(bitWidth)和時延(1atency)屬性，并且位寬和時延是私有成員，只能通過公有方法來對它們操作。由此可見連接(Link)類封裝了與連接有關的信息，并提供公用的配置連接方法(1inkConflg())來配置這些參數(shù)。

class Link：public clock Module

(

public：

sc_gort port in~

sc~ort port outI

int link_config(int bit_width，int latency)；

private：

int bit widthl

int latency~

)；

以上便實現(xiàn)了一個Link類，該類封裝了連接(Link)的基本特性，但需要說明的是連接(Link)類型只是一個基礎類，不宜直接使用，需要其它類來繼承它，比如多路選擇器(MUX)，交叉總線(CrossBar)以實現(xiàn)需要的功能。

(二)繼承性

重用是面向對象設計的另一個重要特性，可以通過繼承來實現(xiàn)設計重用，在編程語言中，通過子類來提供這一能力。為了尋求一種片上網(wǎng)絡設計的靈活的可重用的面向對象層次結構，這種層次結構需要包含擴展能力，用來滿足新的設計和需求，類的繼承性就實現(xiàn)了這一能力，通過繼承所需的基礎類，添加自己所需的特定元素來構造新的類型，這樣給設計工作帶來了極大的方便，使編碼時間大大縮短。不僅如此，現(xiàn)今各大IP核廠商都提供特定功能的類庫和IP核，但是往往IP核不能滿足所有的特定需求，使用這種有繼承特性的層次化面向對象結構，繼承IP核，添加所需功能，使得IP核的靈活性增加。最后盡管廠商提供的IP核會面向不同的應用，功能特性也會有相應差別，例如速度，功耗，但對于有特定功耗要求的系統(tǒng)，我們可以通過“白盒”重用來構造自己所需的類，更方便的是通過不斷豐富這個類庫，以后我們將有更多的類庫可以直接使用，使得片上網(wǎng)絡設計更加方便，發(fā)展更加迅速。

(三)多態(tài)性

多態(tài)性意味著在不同的上下文中對某對象賦予不同的意義或用法的能力，具體而言，就是允許對象有多種形式。在面向對象語言中，具體的說，它是子類對相同操作做出不同反映的能力。例如首先定義了控制器(Scheduler)類，它包含控制模塊所具有的基本功能，請求和允許方法，仲裁器(Arbiter)和分配器(Allocator)同時繼承控制器(Scheduler)，并且都定義了沖裁(arbitrate())方法，沖裁器的arbitrate方法是用來沖裁哪個模塊能夠使用當前資源，而分配器的arbitrate方法是用來給不同模塊分配不同的系統(tǒng)資源，多態(tài)性在此例中就表現(xiàn)為當控制器指向不同子類時，程序就調用相應該子類的arbitrate方法。

三、總結

由以上分析可以看出，在硬件NoC設計中，使用面向對象設計思想，模塊的屬性得到了封裝，使得硬件設計結構更加清晰，同時提高了硬件模塊設計的靈活性和可擴展性，使得很多硬件模塊都不需要重頭開始設計，只需要繼承相關的類，稍作修改后成為所需的模塊，這樣大大的縮短硬件模塊的開發(fā)周期。