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在迅速发展的集成电路制造工艺和不断提高的应用需求的推动下，系统芯片（System-on-Chip，SoC）集成了越来越多的功能模块。随着片上通信结构逐渐成为达到预定系统性能的瓶颈，以通信为中心的设计方法学正在成为SoC设计的首选。本文立足于目前国内和国际的片上通信研究情况，并结合北大众志SK SoC的设计实现及实际应用，对片上通信结构的两种主要实现方式--共享总线和片上网络--展开了研究。本文集中关注通信接口、通信调试分析、通信仲裁和片上网络路由等片上通信研究领域的重要方面，研究并实现了相关的关键技术，为应对片上通信结构面临的挑战提供了新的解决方案。本文的主要研究内容及贡献包括如下几个方面：
1）多层次总线结构设计和通信接口优化
面向以“单芯片个人计算机”为代表的SoC应用需求，本文以北大众志SK SoC为研究实例，深入分析了其中主要功能模块的通信需求，提出了具有针对性的多层次总线结构设计，并根据不同应用的特点对通信接口设计进行优化，满足了多媒体编解码、多级存储管理和主流输入输出设备等不同的片上通信需求。这些设计方案和优化技术提供了一种片上通信结构的有效设计思路和典型参考模式。
2）片上通信的调试支持方法
随着SoC复杂度的不断提高，掌握片上通信的运行状况对系统开发和性能分析有着重要的支持作用。目前这方面的研究主要受限于SoC内部支持的不足。本文提出了一种利用SoC内在丰富功能的片上通信调试支持方法，提供了片上通信状况统计、通信踪迹提取和运行控制等功能，以便于深入了解和分析系统运行时的片上通信状况。本文进一步结合北大众志SK SoC的具体实现，对其中的踪迹端口进行了优化，踪迹存储速率提升约36％。该方法不但为系统开发提供了更高效的支持，而且为片上通信的性能分析提供了坚实的基础。
3）提供高效带宽分配的片上通信仲裁方法
当前的SoC集成了众多功能模块，其中图形、图像和多媒体处理等功能对片上通信的带宽分配和通信延迟都有比较严格的要求。本文提出一种名为“滑动带宽调整窗口”的仲裁方法，可以细粒度设置和动态调整系统的通信带宽分配，适用于片上网络的路由器、共享总线以及其它对带宽分配要求严格的设备。与SoC设计中常用的片上通信仲裁方法相比，该方法可以使系统通信带宽分配的偏差减少13.2％到14.6％，同时使通信授权延迟降低27.1％到37.5％。
4）支持服务质量的片上网络路由器
片上网络是片上通信结构的一种新的解决方案，可以应对SoC设计规模进一步扩大后引起的诸多片上通信问题。而SoC的广泛应用使得片上通信类型复杂多样，服务质量逐渐成为了片上网络结构设计中的重要特性。本文提出了一种支持服务质量的片上网络路由器，同时提供“确保”和“尽力而为”两种通信服务，并有效地均衡了片上通信的负载。该设计提高了片上网络通信行为的可预知性和可控性，缓解了确定的服务需求和动态变化的通信行为之间的冲突。
5）片上通信结构设计和评测平台
为了深入分析并理解SoC中功能模块和通信结构的相互作用，本文提出了一个片上通信结构设计和评测平台。该平台集合了本文在片上通信结构方面的研究成果，包括通信接口、通信调试分析、通信仲裁和片上网络路由器等可配置组件，同时提供了周期级精确的通信性能评测环境和硬件实现评估环境，以及按照应用需求进行片上通信结构自动生成的辅助工具。该平台为本文的通信仲裁和片上网络路由器等研究工作提供了实验基础，也为后续的片上通信结构研究提供支持。