论文部分内容阅读
由于片上系统(SoC)的通信系统对带宽与吞吐量的要求愈来愈高，加之其全局互连线延时与功耗的不断增加所导致的系统信号完整性问题日益突出等诸多原因，传统的总线通信结构已经无法满足复杂SoC对通信结构的要求并成为SoC发展的瓶颈。片上网络(NoC)概念的提出是集成电路设计领域的又一次革命。由于NoC具有更优的可扩展性、可复用性、连线特性可预测性以及容错性等优点，基于NoC的设计技术被认为是下一代集成电路主流设计技术并迅速成为当今业界研究热点。本论文开展NoC通信架构相关技术的设计研究，研究内容对实现未来复杂SoC具有重要的理论意义和实际应用价值。论文所完成的主要工作及所取得的研究成果包括以下几个方面。 1.构建了一个专用于片上网络多种网络设计内容系统级研究的软件仿真平台。片上网络的EDA工具是NoC基础研究内容之一，有限的专用于NoC的EDA系统级仿真工具限制了我国的NoC研究进展。本论文基于NIRGAM仿真器和SystemC语言库构建了一个用于片上网络拓扑结构、缓冲器数量、路由算法和应用模型等网络设计内容系统级研究的软件仿真平台。利用该仿真平台，本论文完成了应用于网格拓扑结构片上网络的XY路由算法和Odd-Even路由算法的比较研究，以及网络通道缓冲器数量的分析研究。 2.提出并设计了一个能够适用三种二维平面拓扑结构的多参数可配置片上网络通信架构硬模型MCNOC。片上网络的研究不应仅停留在系统级网络结构的分析研究，还应深入进行它的通信架构硬模型的设计研究。片上网络通信结构硬模型应是一个通用模型，具有灵活配置的结构参数，以满足不同规模系统的网络通信结构设计要求，实现片上网络通信结构的高度可复用性。本论文提出并利用VHDL硬件描述语言设计了能够适用三种拓扑结构(网格拓扑结构、单环网拓扑结构和双环网拓扑结构)的多参数可配置片上网络通信架构硬模型MCNOC。它的网络节点采用坐标编码机制，具有多个可配置系统设计参数，采用虫孔式交换策略，是一种通用片上网络通信架构硬模型。它由网络节点(Node)、网络通道(Channel)、模拟资源模块(AP)，仲裁器(ARB)、虚拟通道分配器(VCA)、交换器(SW)、虚拟通道(VC)、先入先出存储器(FIFO)、虚拟通道控制器(VCC)、多选一仲裁器(XA)等设计子模块构成。MCNOC模型是首个能够同时适用三种二维平面拓扑结构(网格、单环网和双环网拓扑结构)的片上网络通信架构硬模型。 3.基于MCNOC模型，完成了2X2网格拓扑结构片上网络通信架构系统的设计。通过设定MCNOC模型的系统设计参数，它可以构建出不同结构的片上网络通信架构系统。本论文基于MCNOC模型构建了2×2网格拓扑结构片上网络通信架构系统，它的设计工作包括架构设计、系统功能仿真、FPGA验证及芯片设计。它的工作频率为100MHz，系统总带宽为8.8Mbits/s，芯片设计面积为3.2mm2。 4.基于MCNOC模型，完成三种拓扑结构(网格、单环网和双环网拓扑结构)4X4片上网络通信架构系统的设计。本论文基于MCNOC模型构建了三种拓扑结构的4X4片上网络通信架构系统，它们的设计工作均分别包括架构设计、系统功能仿真、FPGA验证以及芯片设计。它们的工作频率均为100MHz，系统总带宽分别为60Mbits/s、66Mbits/s和72Mbits/s，芯片设计面积均为10.8mm2。目前有关4X4片上网络通信架构系统的芯片设计工作在国内尚未见到公开报道。 5.基于MCNOC模型，完成了10X10网格拓扑结构片上网络通信架构系统的设计。本论文基于MCNOC模型构建了集成100个网络节点的10X10网格拓扑结构片上网络通信架构系统，它的设计工作包括架构设计、系统功能仿真和芯片设计。它的工作频率为100MHz，系统总带宽为588Mbits/s，芯片设计面积为67.7mm2。本论文设计的10×10网格拓扑结构片上网络通信架构系统是目前集成节点数目最多的片上网络通信架构。