片上网络层次划分及多目标映射技术研究

论文摘要

近年来,一种全新的集成电路体系结构——片上网络（Network on Chip, NpC）成为片上系统（System on Chip, SoC）学科研究的热点问题。NoC将计算机网络技术移植到芯片设计中,它比总线结构拥有更好的可扩展性,更加适用于大规模系统芯片的设计。但是,NoC结构比总线结构占用更多的面积资源和能耗,因此,采用总线结构将部分知识产权（Intellectual Property, IP）核连接在一起构成局部子系统,再通过网络接口连接到NoC通信节点上的NoC设计方法能够更好的利用芯片的资源。论文结合国家863计划重大专项“高性能计算机及其核心软件”总体技术相关课题的研究需求,从优化片上系统通信结构及降低系统通信能耗与延时的角度出发,重点研究了当前NoC设计中的两个关键性技术：层次划分及映射技术。论文的主要工作和取得的成果如下：1.系统地分析了NoC体系结构及其设计方法,在其基础上总结了层次化NoC的设计方法。对层次化NoC平台的相关部件及路由技术进行归纳,并针对NoC链路出现故障时,确定性XY路由无法保证网络的正常通信问题,提出一种基于NoC链路感知的自适应路由算法,保证在链路出现故障后通信正常。2.针对层次化NoC设计中对通信局部化及充分利用资源节点面积的要求,提出了IP核聚类算法。算法按照依赖优先、最早最先和碎片利用三原则构造。该算法在保证系统中的IP核间通信量大的优先合并前提下,充分利用了NoC资源节点的面积资源。通过与k-聚类算法比较以及针对具体应用的仿真实验,对聚类效果进行了详细分析。结果证明通过此算法将IP核聚类能够达到有效分配SoC内部通信,充分利用面积资源,提高系统整体性能的目的。3.针对构造能耗和延时线性组合的多目标优化映射算法无法很好地权衡能耗和延时两个关键设计指标的问题,提出了一种基于带精英策略的非支配排序遗传算法（Nondominated Sorting Genetic AlgorithmⅡ, NSGA-Ⅱ）的映射算法。首先构造NoC通信能耗和延时模型,而后采用了优化链路负载分布来间接优化延时的方法,最后根据模型提出了面向能耗和延时的基于NSGA-Ⅱ的映射算法。算法充分利用NSGA-Ⅱ采用的快速非支配排序方法、引进的精英策略和加入的拥挤度比较算子来解决低能耗和低延时的映射问题。实验证明采用此算法能够较好地权衡系统通信能耗和延时两个关键设计指标,得到的映射方案有效的降低了系统的通信能耗和延时。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 SoC设计方法学
• 1.1.1 集成电路进入SoC时代
• 1.1.2 SoC主要研究内容
• 1.2 SoC发展趋势——片上网络（Network on Chip）
• 1.3 课题背景和本文主要工作
• 1.3.1 课题背景
• 1.3.2 主要工作
• 1.4 本文结构安排
• 第二章 片上网络——Network on Chip
• 2.1 NoC国内外研究动态
• 2.1.1 NoC产生的技术背景
• 2.1.2 国际研究动态
• 2.1.3 国内研究动态
• 2.2 NoC的概念
• 2.3 NoC体系结构
• 2.3.1 NoC拓扑结构
• 2.3.2 NoC资源节点
• 2.3.3 NoC通信节点
• 2.3.4 通信协议
• 2.4 NoC设计方法
• 2.4.1 NoC设计
• 2.4.2 NoC设计中的关键问题
• 2.5 小结
• 第三章 NoC层次化结构设计与路由技术
• 3.1 层次化NoC设计
• 3.2 层次化NoC平台描述
• 3.2.1 体系结构
• 3.2.2 簇结构
• 3.2.3 路由器结构
• 3.2.4 NoC网络接口
• 3.3 NoC路由技术
• 3.3.1 包交换技术
• 3.3.2 路由算法
• 3.4 小结
• 第四章 片上网络IP核聚类算法
• 4.1 引言
• 4.2 片上网络IP核聚类算法
• 4.2.1 算法约束
• 4.2.2 算法描述
• 4.2.3 算法计算复杂度分析
• 4.3 基于IP核聚类算法的层次化NoC性能分析实验
• 4.3.1 实验1
• 4.3.2 实验2
• 4.3.3 实验3
• 4.3.4 资源利用分析
• 4.4 小结
• 第五章 基于NSGA-Ⅱ算法的NoC映射
• 5.1 引言
• 5.2 相关研究工作
• 5.3 簇映射与IP核映射的关系
• 5.4 映射问题描述
• 5.4.1 特征图定义
• 5.4.2 能耗和延时模型
• 5.5 基于NSGA-Ⅱ算法的NoC映射
• 5.5.1 NSGA-Ⅱ算法
• 5.5.2 基于NSGA-Ⅱ的映射算法
• 5.6 实验与分析
• 5.6.1 映射算法实现
• 5.6.2 通信延时模拟
• 5.7 小结
• 结束语
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢