面向?qū)崟r(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及映射技術(shù)研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體集成電路的飛速發(fā)展，未來的片上系統(tǒng)（System on Chip, SoC）芯片中將會(huì)集成成百上千個(gè)處理核，以實(shí)現(xiàn)越來越復(fù)雜的功能。在這個(gè)發(fā)展趨勢下，SoC芯片面臨著設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與制造的各項(xiàng)挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)成為了限制SoC芯片速度、功耗、面積、數(shù)據(jù)吞吐量和可靠性的瓶頸。為了解決這個(gè)問題，片上網(wǎng)絡(luò)（Network on Chip，NoC）作為一種新型的以通信為中心的集成電路互聯(lián)結(jié)構(gòu)被提出來。
　　無線通信技術(shù)的發(fā)展對人類

2、社會(huì)的生產(chǎn)生活帶來巨大的變革。由于軟件無線電技術(shù)只需通過軟件上的更新就能夠修改功能，具有傳統(tǒng)硬件方式所無法比擬的靈活性、開放性和可擴(kuò)展性；因此，軟件無線電技術(shù)被越來越廣泛的應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。軟件無線電系統(tǒng)中的信號處理有別于傳統(tǒng)的科學(xué)計(jì)算，具有數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。隨著應(yīng)用需求的發(fā)展，系統(tǒng)中數(shù)字信號處理的計(jì)算量與復(fù)雜度越來越高，采用傳統(tǒng)的單核或多核簡單并行的方式已無法滿足實(shí)際系統(tǒng)需求。
　　研究表明，在未來的集成電路設(shè)計(jì)中，

3、大規(guī)模的并行計(jì)算與處理技術(shù)將取代傳統(tǒng)的串行方式，以提高集成電路處理能力和處理速度。由于片上網(wǎng)絡(luò)具有傳輸效率高、功耗低、可擴(kuò)展性好、傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此基于片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的大規(guī)模多核并行處理平臺(tái)既能為復(fù)雜通信系統(tǒng)提供強(qiáng)大的處理能力和高速的運(yùn)算速度，又具有低功耗和面積的優(yōu)勢，成為未來通信信號處理系統(tǒng)的物理平臺(tái)。當(dāng)前的NoC研究主要以通用系統(tǒng)為背景，缺乏對實(shí)時(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的支持。基于上述背景，本文結(jié)合通信與數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、并行性、流水性等

4、特性，在三維集成電路和無線片上互連等新興工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，對面向復(fù)雜系統(tǒng)的NoC架構(gòu)與映射技術(shù)進(jìn)行了深入研究。本文的具體貢獻(xiàn)如下：
　　本文第二章提出基于自相似性的多元參數(shù)業(yè)務(wù)量模型。通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑷蝿?wù)流圖、映射對業(yè)務(wù)量自相似性的影響，根據(jù)通信系統(tǒng)的信號處理特點(diǎn)建立MPSoC數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，利用典型DSP系統(tǒng)進(jìn)行建模實(shí)驗(yàn)，用實(shí)測的業(yè)務(wù)量Hurst參數(shù)擬合數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型參數(shù)與Hurst參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系式，建

5、立了從MPSoC數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型預(yù)測和估計(jì)業(yè)務(wù)量Hurst參數(shù)的方法。實(shí)驗(yàn)表明，采用該業(yè)務(wù)量模型估計(jì)的 Hurst參數(shù)與其真實(shí)值誤差較小，能較準(zhǔn)確的描述業(yè)務(wù)量的自相似性。
　　本文第三章針對新興的三維集成電路技術(shù)，提出三種高性能的三維 NoC架構(gòu)模型。利用 De Bruijn圖的低延時(shí)、低功耗、容錯(cuò)等特性設(shè)計(jì)出基于橋接 De Bruijn圖、基于環(huán)接De Bruijn圖和基于雙De Bruijn網(wǎng)的三維NoC架構(gòu)。設(shè)計(jì)分別面向最小面積

6、開銷和最短路由路徑的移位路由算法；針對不同架構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出能繞過節(jié)點(diǎn)故障或鏈路故障的容錯(cuò)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)證明，在不同的網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用環(huán)境下，這三種架構(gòu)能分別獲得較明顯的性能增益。
　　本文第四章提出面向?qū)崟r(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的 NoC多目標(biāo)映射模型。改進(jìn)了能耗的計(jì)算方法，結(jié)合通信與信號處理系統(tǒng)特有的注入率、迭代邊界等約束，同時(shí)優(yōu)化能耗和I/O關(guān)鍵路徑延時(shí)。另外，采用細(xì)顆粒度任務(wù)劃分方法，以及任務(wù)與處理核之間的多對多的映射模型，從映射角度調(diào)整節(jié)點(diǎn)負(fù)載的

7、均衡性，提高節(jié)點(diǎn)的工作效率與流水操作的并發(fā)性。實(shí)驗(yàn)評估證明，該算法模型的延時(shí)和功耗性能優(yōu)于傳統(tǒng)遺傳算法與隨機(jī)算法。
　　本文第五章針對新興的片上無線互聯(lián)技術(shù)，提出低延時(shí)、低功耗的無線NoC架構(gòu)，以及面向無線 NoC平臺(tái)的拓?fù)渑c映射聯(lián)合設(shè)計(jì)算法。利用無線信道的靈活互聯(lián)特性與廣播性，提出基于非規(guī)則拓?fù)涞臒o線 NoC架構(gòu)，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)帶寬分配機(jī)制提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率，給出簡單的多播路由算法與特殊的虛通道控制邏輯以節(jié)約開銷。另外，在約束條件下，以低