基于片上網(wǎng)絡(luò)的多核芯片組通訊方案

侯寧 盧亞鵬 張多利

摘 要： 多芯片協(xié)同工作是一種廉價(jià)、低風(fēng)險(xiǎn)的高密度計(jì)算應(yīng)用解決方案。由于片上網(wǎng)絡(luò)（Network On Chip， NoC）的數(shù)據(jù)通訊具有并發(fā)、分離的特性，因此可以方便地在板級(jí)集成多塊NoC多核芯片協(xié)同工作，構(gòu)成NoC多核芯片組，快速提供更強(qiáng)大的處理能力?；谀掣咝阅軋D像處理項(xiàng)目，其硬件系統(tǒng)主要由4塊NoC多核芯片構(gòu)成，4塊芯片采用全互連方式，研究了報(bào)文數(shù)據(jù)在不同多核芯片間的傳輸問(wèn)題，提出了一種通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的多核芯片組通訊方案，該方案已應(yīng)用在某高性能圖像處理項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞： 片上網(wǎng)絡(luò)； 多核芯片組； 通信； 多處理器

中圖分類號(hào)：TP303 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）10-17-02

Communication solution of multi-core chipset based on NoC

Hou Ning1，2， Lu Yapeng1， Zhang Duoli2

（1. Henan University of Urban Construction， Pingdingshan， Henan 467000， China； 2. The Institute of VLSI Design， Hefei University of Technology）

Abstract： The Network-on-Chip （NoC） is a promising technique for the on-chip interconnection. The data transfer of NoC is unattached and simultaneous. Several NoC multi-core chips which cooperate with each other， called NoC chipset， set up a powerful computing system. In this paper， a communication solution is proposed， which solve the problem of the packet transfer between different multi-core chips.

Key words： network on chip； multi-core chipset； communication； multiprocessor

0 引言

由于人們對(duì)復(fù)雜應(yīng)用的無(wú)限渴求，需要計(jì)算能力更強(qiáng)的硬件系統(tǒng)提供支持?？紤]到單塊芯片能夠提供的計(jì)算資源有限，而重新設(shè)計(jì)功能更強(qiáng)的芯片將使項(xiàng)目成本急劇增加，風(fēng)險(xiǎn)巨大。因此多芯片協(xié)同工作就成為一種廉價(jià)、低風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)用解決方案。

片上網(wǎng)絡(luò)（Network on Chip，NoC）[1-2] 將處理單元和存儲(chǔ)單元作為節(jié)點(diǎn)組件連接到NoC上，能夠提供高帶寬、低延遲和低功耗的片上通訊，是一種高效的片上互連通訊技術(shù)。由于NoC具有分離的通訊節(jié)點(diǎn)，因而可以很方便地將多塊NoC多核芯片集成在一塊電路板上協(xié)同工作，構(gòu)成NoC多核芯片組，快速地構(gòu)建起一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)。

本文基于某高性能圖像處理項(xiàng)目，其硬件系統(tǒng)主要由4塊NoC多核芯片構(gòu)成，4塊芯片采用全互連的互連方式。針對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)在不同多核芯片間的傳輸問(wèn)題，本文提出了一種硬件實(shí)現(xiàn)的多核芯片組通訊方案。

1 平臺(tái)及問(wèn)題描述

成熟的處理器芯片互連技術(shù)有很多，如PCI、PCI-X[3]、PCI-Express[4]總線，以太網(wǎng)，以及現(xiàn)在廣泛使用的Rapid IO[5]等，這些互連技術(shù)功能完善，但協(xié)議以及接口電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

[PU＼&＼&PU＼&＼&PU＼&＼&＼&＼&PU＼&PU＼&HSSTs＼&＼&＼&＼&PU＼&HSSTs＼&HSSTs＼&][Chip0] [PU＼&＼&PU＼&＼&PU＼&＼&＼&＼&HSSTs＼&PU＼&PU＼&＼&＼&＼&HSSTs＼&HSSTs＼&PU＼&][Chip1] [PU＼&＼&HSSTs＼&＼&HSSTs＼&＼&＼&＼&PU＼&PU＼&HSSTs＼&＼&＼&＼&PU＼&PU＼&PU＼&][Chip2] [HSSTs＼&＼&HSSTs＼&＼&PU＼&＼&＼&＼&HSSTs＼&PU＼&PU＼&＼&＼&＼&PU＼&PU＼&PU＼&][Chip3]

圖1 NoC多核芯片組示意圖

本項(xiàng)目中4塊NoC多核芯片集成在一塊背板中，構(gòu)成NoC多核芯片組。為了簡(jiǎn)化板級(jí)互連協(xié)議及接口電路設(shè)計(jì)，每塊NoC芯片集成了3個(gè)高速串行收發(fā)器組（high speed serial transceivers，HSSTs），實(shí)現(xiàn)具有全互連通訊結(jié)構(gòu)的NoC多核芯片組系統(tǒng)，如圖1所示。其中PU（processor unit）表示片上網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算節(jié)點(diǎn)，由處理核和路由器組成。芯片組間的通訊均為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，協(xié)議簡(jiǎn)單。

基于NoC的多核芯片組利用報(bào)文實(shí)現(xiàn)不同資源節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換，而由于不同多核芯片的網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)獨(dú)立編碼，因此不論采用何種芯片互連方式，當(dāng)報(bào)文跨越不同多核芯片傳輸時(shí)，需要一種簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的路由地址變換方法，確保報(bào)文頭切片的正確傳輸。

2 路由地址變換方法

本文提出一種簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的路由地址變換方法，以解決報(bào)文在不同的NoC多核芯片間傳輸?shù)膯?wèn)題。圖2為頭切片在不同子系統(tǒng)間傳輸過(guò)程。報(bào)文頭切片的路由地址信息域由三部分組成，分別為源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和循環(huán)移位步幅。源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)只有一個(gè)，目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)目由報(bào)文流經(jīng)的NoC多核芯片個(gè)數(shù)決定。以圖2為例，報(bào)文需要從坐標(biāo)為12的源節(jié)點(diǎn)流經(jīng)chip0、chip1，最終到達(dá)chip2中坐標(biāo)為21的目的節(jié)點(diǎn)。整個(gè)傳輸過(guò)程中，報(bào)文共流經(jīng)3個(gè)NoC多核芯片，相應(yīng)的頭切片應(yīng)包含3個(gè)目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。路由器固定讀取目的節(jié)點(diǎn)1的坐標(biāo)完成路由計(jì)算。循環(huán)移位步幅由報(bào)文需要流經(jīng)的NoC多核芯片個(gè)數(shù)決定，并且每通過(guò)一個(gè)NoC多核芯片該值減1。

片間互連單元完成報(bào)文頭切片的路由地址變換操作，由輸出模塊和輸入模塊組成。輸出模塊根據(jù)循環(huán)移位步幅對(duì)頭切片的路由地址做循環(huán)移位操作，并且將循環(huán)移位步幅減1。例如在Step1，循環(huán)移位步幅為3，源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)1、目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)2和目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)3執(zhí)行步幅為3的循環(huán)移位操作，并且循環(huán)移位步幅由3減為2；在Step3，循環(huán)移位步幅為2，源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)1和目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)2執(zhí)行步幅為2的循環(huán)移位操作，目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)3不參加循環(huán)移位操作，并且循環(huán)移位步幅由2減為1。輸入模塊使用所在片上網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)替換頭切片中源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。例如，在Step2，chip1的互連單元坐標(biāo)00替換此時(shí)頭切片源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)30；在Step4，chip2的互連單元的坐標(biāo)03替換此時(shí)頭切片源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)33。

該路由器地址變換方案簡(jiǎn)單且易于硬件實(shí)現(xiàn)，不需要軟件支持，并且該方案具有普適性，不受NoC多核芯片的數(shù)量、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由算法限制。對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同、路由算法不同的NoC多核芯片間通訊同樣適用。

3 通訊模塊設(shè)計(jì)

圖3所示為NoC多核芯片組的片間通訊模塊。NoC多核芯片采用Xilinx Virtex 6 FPGA設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用Aurora流模式的IP核實(shí)現(xiàn)芯片間互連。

圖3 片間通訊模塊設(shè)計(jì)

Aurora協(xié)議由Xilinx開(kāi)發(fā)，使用一個(gè)或多個(gè)高速的串行通道構(gòu)成更高速的通路。本文的設(shè)計(jì)中，每個(gè)通訊模塊包含四組高速串行收發(fā)器，可提供10Gbs的傳輸帶寬。

Aurora協(xié)議簡(jiǎn)單，只控制鏈路層和物理層，支持用戶自定義協(xié)議。片間互連單元完成NoC協(xié)議與Aurora協(xié)議間的轉(zhuǎn)化，同時(shí)該模塊還完成報(bào)文頭切片路由地址的變換。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于某高性能圖像處理項(xiàng)目，采用4塊NoC多核芯片構(gòu)成NoC多核芯片組，實(shí)現(xiàn)了圖像處理算法的快速處理。針對(duì)NoC多核芯片組中的報(bào)文傳輸問(wèn)題，本文提出了一種硬件實(shí)現(xiàn)的多核芯片組通訊方案，重點(diǎn)解決了報(bào)文頭切片在不同NoC多核芯片間傳輸過(guò)程中的路由地址變換問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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