片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析＊

韋良芬，王 勇

（1.合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽三聯(lián)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230601；3.安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析＊

韋良芬1，2，王 勇3

（1.合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽三聯(lián)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230601；3.安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

片上網(wǎng)絡(luò)NOC（Network On Chip，簡(jiǎn)稱NOC），近年來受到廣泛關(guān)注.介紹了NOC系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)，總結(jié)了NOC的基本設(shè)計(jì)流程，并給出了NOC研究的關(guān)鍵技術(shù)及NOC研究的發(fā)展方向.

片上網(wǎng)絡(luò)；NOC組成；設(shè)計(jì)流程；關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）隨著所包含IP核數(shù)目的不斷增加，面臨著可擴(kuò)展性、功耗、延時(shí)和可靠性等多方面的問題.為了解決SOC存在的這些問題，歐美一些研究機(jī)構(gòu)借鑒了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的思想，提出了一種全新的以通信為中心的集成電路體系結(jié)構(gòu)――片上網(wǎng)絡(luò)（Network On Chip，NOC）［1］，并逐漸成為研究熱點(diǎn).NOC實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源與通信結(jié)構(gòu)的分離［2］，徹底克服了SOC總線結(jié)構(gòu)中地址空間有限而存在的可擴(kuò)展性問題、采用分時(shí)通信引起的通信效率問題、全局同步存在的功耗和面積問題［3］.

自從NOC的概念被提出以來，受到了國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，NOC被認(rèn)為是未來集成工藝下多核技術(shù)的必然方向，而我國(guó)對(duì)于片上網(wǎng)絡(luò)的研究起步較晚，尚處于早期研究階段.本文在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，闡明了NOC基本問題，并就將來NOC的研究工作及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行一定的分析與探索.

1 NOC的組成

NOC由計(jì)算資源和通信網(wǎng)絡(luò)2個(gè)部分組成，如圖1所示為一個(gè)3×3的2DMesh NOC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖.計(jì)算資源一般由IP核和本地內(nèi)存組成，完成數(shù)據(jù)的處理任務(wù)，IP核可以是CPU、SOC、存儲(chǔ)器陣列、可重構(gòu)硬件或各種專用功能的IP核等；在通信網(wǎng)絡(luò)中各路由單元（Router，R）通過通信鏈路按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接起來形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于完成信息的路徑選擇和轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)接口（Network Interface，NI）用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與IP核的連接［4］.

圖1 3×3 2DMesh NOC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 NOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

NOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)同時(shí)涉及應(yīng)用與通信結(jié)構(gòu)等多層面問題，從系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用建模到物理版圖設(shè)計(jì)，跨越多個(gè)層次，需要對(duì)片上互聯(lián)的許多相關(guān)問題做出設(shè)計(jì)和選擇.NOC設(shè)計(jì)通常分為計(jì)算資源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2個(gè)過程.

2.1 計(jì)算資源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算資源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為行為級(jí)模型與結(jié)構(gòu)模型2個(gè)層次，行為級(jí)模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能，行為級(jí)模型將被劃分并映射到計(jì)算資源的結(jié)構(gòu)模型［5］.設(shè)計(jì)NOC首先應(yīng)該確定目標(biāo)應(yīng)用，完成應(yīng)用系統(tǒng)的行為描述，根據(jù)行為描述確定通信任務(wù)圖，接著選擇執(zhí)行系統(tǒng)功能的各個(gè)計(jì)算單元（IP核），確定各資源節(jié)點(diǎn)；在分析各計(jì)算單元之間數(shù)據(jù)信息傳輸特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立通信模型并將其映射到各個(gè)資源節(jié)點(diǎn).圖2所示為基于Ip庫的一個(gè)通信任務(wù)映射過程.

圖2 基于Ip庫的通信任務(wù)映射過程

2.2 NOC體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NOC體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須依據(jù)計(jì)算資源結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這個(gè)過程對(duì)功耗、性能及其設(shè)計(jì)成本都有著很大的影響，圖3所示為NOC體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本流程.這個(gè)設(shè)計(jì)過程，是在建立通信模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及協(xié)議，目標(biāo)是利用盡可能少的網(wǎng)絡(luò)資源滿足計(jì)算資源之間的通信要求，同時(shí)還要考慮系統(tǒng)的性能和可擴(kuò)展性［6］.體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要進(jìn)一步選擇有效的路由算法和流量控制策略，目的是用于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)流的管理；進(jìn)行通信任務(wù)描述的應(yīng)用特征圖與所設(shè)計(jì)的NOC體系結(jié)構(gòu)的映射；確定功耗、擁塞點(diǎn)、可靠性以及容錯(cuò)等問題；確定各個(gè)計(jì)算單元的最佳布局位置及其通信路徑等.

圖3 NOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)好的體系結(jié)構(gòu)需要在仿真平臺(tái)上（如OPNET、Nirgam等）對(duì)計(jì)算資源結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和通信跟蹤，仿真結(jié)果用于確定系統(tǒng)的延時(shí)、吞吐量、功耗和面積，從而進(jìn)行系統(tǒng)的修改和完善，直到滿足系統(tǒng)要求為止.NOC基本組件的設(shè)計(jì)可以通過硬件語言描述和EDA設(shè)計(jì)工具進(jìn)行布局布線，再結(jié)合各IP核的映射與布局，完成基于NOC結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì).

3 NOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

NOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括應(yīng)用建模與優(yōu)化、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由算法、交換技術(shù)、緩存策略、服務(wù)質(zhì)量和映射優(yōu)化等［7］.近年來，這些技術(shù)都不同程度地取得了一定的研究進(jìn)展，但還需要進(jìn)一步的探索和研究，從而促進(jìn)NOC走向大規(guī)模的應(yīng)用.

3.1 應(yīng)用建模與優(yōu)化

系統(tǒng)建模是NOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，一個(gè)好的應(yīng)用模型能夠幫助設(shè)計(jì)者找到應(yīng)用和體系結(jié)構(gòu)的最佳結(jié)合點(diǎn)，從而適應(yīng)不同性能和功耗的要求.目前相關(guān)研究中通常采用SystemC描述網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型，文獻(xiàn)［8］中介紹了一種基于SystemC的能夠模擬隨機(jī)任務(wù)流圖的隨機(jī)系統(tǒng).

3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NOC系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義了計(jì)算資源節(jié)點(diǎn)之間的物理連接關(guān)系.常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如2D＿mesh結(jié)構(gòu)、3D＿mesh結(jié)構(gòu)、Torus結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、扁平樹結(jié)構(gòu)等規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，面向特定應(yīng)用的通信結(jié)構(gòu)一般為不規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).NOC的拓?fù)洳粌H對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、面積和功耗等產(chǎn)生影響，對(duì)設(shè)計(jì)策略以及內(nèi)核到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的映射也起著重要的作用.

3.3 路由算法

路由是指信息從源節(jié)點(diǎn)傳送到目的節(jié)點(diǎn)路徑選擇的機(jī)制.路由算法分為確定性路由算法和自適應(yīng)路由算法2種類型.源路由算法和XY路由算法是2種典型的NOC確定性路由算法；自適應(yīng)路由能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，但算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、開銷大.路由算法應(yīng)該能夠有效的避免死鎖、活鎖及饑餓等問題.

3.4 交換技術(shù)

交換技術(shù)定義了NOC中信息的傳遞方式和時(shí)機(jī)，同時(shí)也規(guī)定了信息傳送的格式.NOC中使用的交換機(jī)制有面向連接的電路交換，面向無連接的分組交換、虛切通交換和蟲孔交換等.其中蟲孔交換技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較小的緩存和較短的路徑延時(shí)，是NOC交換技術(shù)中最常用的選擇.

3.5 緩存策略

NOC系統(tǒng)中需要大量的存儲(chǔ)元件.文獻(xiàn)［6］中介紹，在現(xiàn)有的片上系統(tǒng)中，存儲(chǔ)單元占到芯片總面積的70%～90%，存儲(chǔ)單元所引入的功耗達(dá)到系統(tǒng)總功耗的90%左右；NOC中IP核與緩存之間的數(shù)據(jù)交換非常頻繁，有效縮短源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離對(duì)提高NOC系統(tǒng)的性能非常關(guān)鍵.

3.6 服務(wù)質(zhì)量（QoS）問題

NOC的服務(wù)質(zhì)量包括保證服務(wù)（GS）和盡力服務(wù)（BE）2個(gè)層次的服務(wù)級(jí)別，用于滿足不同層次的服務(wù)要求.目前NOC領(lǐng)域QOS問題研究一般采用公平機(jī)制資源（如虛通道）預(yù)留、網(wǎng)絡(luò)中支持多種優(yōu)先級(jí)以及同步架構(gòu)等方法來實(shí)現(xiàn).

3.7 映射優(yōu)化

映射是在給定任務(wù)圖、設(shè)計(jì)約束和IP庫的前提下，將各個(gè)任務(wù)映射到對(duì)應(yīng)的IP核上，同時(shí)確定各個(gè)IP核在NOC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的位置的過程.映射是NOC設(shè)計(jì)中的一個(gè)NP問題.目前，映射通常采用啟發(fā)式的算法進(jìn)行.

4 NOC技術(shù)發(fā)展方向

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及協(xié)議、服務(wù)質(zhì)量、低功耗等是當(dāng)前NOC研究的焦點(diǎn).隨著研究的進(jìn)一步深入，下一步NOC研究發(fā)展方向?qū)?huì)集中在以下幾個(gè)方面：（1）專用NOC映射算法的研究.不同的應(yīng)用對(duì)應(yīng)不同的通信和流量模型，研究專用NOC的映射算法給設(shè)計(jì)者帶來了極大的挑戰(zhàn).（2）研究容錯(cuò)處理技術(shù).在芯片面積增加，IP核增多的趨勢(shì)下，大大增加了處理器和片上網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中出現(xiàn)故障的概率.因而，研究容錯(cuò)技術(shù)，提高NOC的可靠性就成為片上網(wǎng)絡(luò)能否成功應(yīng)用的重要支撐技術(shù)之一；（3）研究3維NOC.3維集成技術(shù)可以將不同的器件層堆疊起來，從根本上縮短了物理連線的長(zhǎng)度，對(duì)減小功耗和縮短延時(shí)具有重要的意義；（4）研究具有重構(gòu)能力的計(jì)算資源結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)電路［7］.

5 結(jié)語

NOC技術(shù)自2000年被歐美一些研究機(jī)構(gòu)提出以來，受到了研究者的廣泛關(guān)注.筆者在大量系統(tǒng)研究相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了NOC的基本設(shè)計(jì)流程和NOC研究的關(guān)鍵技術(shù)，并指出了NOC的研究及發(fā)展方向.

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（責(zé)任編輯 陳炳權(quán)）

Design of Network on Chip System

WEI Liang－fen1，2，WANG Yong3
（1.School of Computer and Information，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Department of Computer，Anhui Sanlian University，Heifei 230601，China；3.School of Computer and Information，AnHui Polytechnic University，Wuhu 241000，Anhui China）

Network on Chip（NOC）has

great attention in recent years.In this paper，the basic composition structure of NOC system is introduced，and the essential design process based on NOC is summarized.Besides，the key technology of and the direction for NOC study are proposed.

network on chip；composition of NOC；design process；key technology

TN47

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.03.014

1007－2985（2012）03－0057－04

2012－03－21

安徽高校優(yōu)秀青年人才基金資助項(xiàng)目（2011SQRL076）；安徽三聯(lián)學(xué)院資助項(xiàng)目（10ZLGC009）

韋良芬（1975－），女，安徽舒城人，安徽三聯(lián)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系講師，碩士生，主要從事片上網(wǎng)絡(luò)研究；王 勇（1979－），男，安徽舒城人，安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院講師，碩士，主要從事分布式計(jì)算、容錯(cuò)技術(shù)等研究.

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