高可靠片上網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、SoC(System on Chip)內(nèi)部以總線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的核間通信方式在傳輸速率、延時(shí)、規(guī)模擴(kuò)展、全局時(shí)鐘同步等方面面臨愈發(fā)嚴(yán)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(wǎng)絡(luò)（NoC, Network on Chip）隨之被提出。片上網(wǎng)絡(luò)將片上總線的通信方式轉(zhuǎn)變成基于網(wǎng)絡(luò)分層和數(shù)據(jù)包交換的方式，將任務(wù)執(zhí)行（運(yùn)算、存儲(chǔ)）和數(shù)據(jù)傳輸通信進(jìn)行了有效分離，有利于降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度；同時(shí)，較總線結(jié)構(gòu),片上網(wǎng)絡(luò)還在擴(kuò)展性、復(fù)用性、預(yù)

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(nèi)通信的基礎(chǔ)設(shè)施，因此有必要對片上網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分類研究。另外，SoC的集成度越來越高，其內(nèi)部任何模塊故障都會(huì)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致整個(gè)SoC芯片失效，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)停止工作，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮必要的容錯(cuò)措施，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
　　本文結(jié)合片上網(wǎng)絡(luò)的組成及研究現(xiàn)狀，就系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度映射、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒙酚伤惴ǖ葐栴}進(jìn)行了詳細(xì)研究，以提高片上

3、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在功耗、吞吐率和平均延時(shí)方面的性能。同時(shí)，分別在應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了容錯(cuò)設(shè)計(jì)研究。任務(wù)調(diào)度映射方面，結(jié)合片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了任務(wù)模型、通信核圖模型。通過模型能夠準(zhǔn)確計(jì)算出任務(wù)在不同分配方案下的運(yùn)行成本、通信成本以及遷移成本，為調(diào)度算法提供詳細(xì)準(zhǔn)確的對比數(shù)據(jù)；同時(shí)，根據(jù)任務(wù)規(guī)模與可調(diào)用處理單元數(shù)目的相對關(guān)系，將任務(wù)調(diào)度問題劃分為兩種情況分類解決：對于任務(wù)規(guī)模相對可調(diào)用處理單元數(shù)較小，任務(wù)執(zhí)行只調(diào)用部分處理單元的情況，分

4、任務(wù)劃分調(diào)度與任務(wù)映射兩大步驟分別執(zhí)行；對于任務(wù)需要調(diào)用片上全部處理單元的情況則通過調(diào)度算法一步完成。將粒子群算法進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì)，使其適用于處理異構(gòu)多核上的任務(wù)調(diào)度問題，同時(shí)解決了粒子群算法在任務(wù)調(diào)度前期收斂速度過快易出現(xiàn)早熟、后期局部搜索能力弱的問題。拓?fù)浞矫妫槍Σ煌愋腿蝿?wù)的通信需求差異，分析了蜂窩網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)通信方面的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種類蜂窩狀的片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則，占用資源少，易于擴(kuò)展。拓?fù)鋯卧闹行奈恢每稍O(shè)置備有路由

5、節(jié)點(diǎn)，為通信密集型任務(wù)提供更多鏈路選擇，降低擁塞概率；同時(shí)對可靠性要求高的處理單元，設(shè)計(jì)了雙端口結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)接口（NI, Network Interface），使得任何一個(gè)處理單元至少有兩條路徑與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，當(dāng)部分路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)能夠快速切換到其他通信路徑，而不至于使整個(gè)系統(tǒng)的性能降低太多，提高了系統(tǒng)的可靠性。路由方面，引入了緩存占用率和數(shù)據(jù)包跳轉(zhuǎn)次數(shù)等參數(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一

6、種自適應(yīng)容錯(cuò)路由算法，算法保證了在數(shù)據(jù)傳輸過程中能夠很好的避開故障節(jié)點(diǎn)或區(qū)域，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)的感知傳輸路徑上的擁塞情況并動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸路線。NoC實(shí)現(xiàn)方面，在分析硬件仿真優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，基于SoCKit平臺(tái)搭建了一個(gè)NoC系統(tǒng)，并在其上對半色調(diào)算法進(jìn)行了并行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能。通過對以上關(guān)鍵問題的研究，有效的提高了片上網(wǎng)絡(luò)多核系統(tǒng)在應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層上任務(wù)執(zhí)行效率，多種容錯(cuò)措施的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，對基于片上網(wǎng)絡(luò)多核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和