片上网络体系结构和关键通信技术研究

论文摘要

片上网络(NOC)技术是目前多处理器系统中的一种关键技术。对其体系结构和关键通信技术的研究,已经成为解决复杂的多处理器系统中通信瓶颈问题的重要方法之一。随着技术的发展和进步,片上网络技术在一定程度上已经取代了传统的总线技术,成为了相关领域的前沿和热点研究的内容。本论文正是在这样的研究背景下,以片上网络及其相关技术为基础,在国家自然科学基金(60575031,复杂SoCs片上通信关键技术研究)的支持下,针对片上网络的体系结构和关键通信技术进行相关研究。在深入理解片上网络发展背景及其应用的前提下,详细分析了片上网络的体系结构和相关技术,对片上网络中的通信问题进行了深入的研究,得出了一些新颖的、具有较强实用意义的技术和研究成果。主要内容包括:1.NOC拓扑结构的研究。详细说明基于Mesh和Tours的NOC的结构,分析其性能。提出多维平面(MDP)NOC和色域空间跳转(CDH)NOC,并与其他的NOC结构进行性能比较。2.NOC路由节点微结构研究。详细分析NOC中已有的路由节点结构的性能,在其基础上进行改进。提出新的路由节点微结构,包括具有双缓存模式的NOC路由节点和能设置仲裁优先程度的路由节点。3.NOC中的通信优化问题研究。主要针对IP之间通信延时的问题进行优化,设计优化思路,提出解决办法。提出了三种不同的方法,包括双模NOC通信结构、绑定ID号的数据传输方式和NOC中的资源优化策略。4.基于SystemC语言,设计并实现了用于NOC仿真验证的软件工具——NSVP(NOC仿真验证平台)。5.片上网络硬件仿真评估平台的设计和实现。给出了软硬件协同的硬件平台设计思路,实现了能进行NOC硬件仿真验证的平台并给出评估结果。片上网络技术已经成为了目前通信研究领域的重要内容,其研究的主要目的就是为了使信号处理系统和通信系统向集成化和复杂化方向发展,提高并行通信能力。本文的创新之处包括:1.改进已有的NOC拓扑结构,提出新的适用于较大规模和更复杂NOC系统的结构,评估其性能。2.设计并实现不同NOC路由节点的微结构。提出新的路由节点微结构,改进仲裁方式,详细评估其性能。3.基于NOC结构、数据交换模式和资源分配策略三个方面,提出三种对NOC各处理器间的通信延时进行优化的新方法。4.设计并实现用于NOC仿真验证的软件工具。5.为NOC的应用建立硬件仿真平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 NOC技术的发展概况
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文结构和开展的工作
• 第二章 NOC拓扑结构研究
• 2.1 NOC拓扑结构简介
• 2.2 Mesh NOC和Torus NOC
• 2.2.1 拓扑研究
• 2.2.2 路由算法
• 2.3 MDP NOC
• 2.3.1 提出该结构的背景
• 2.3.2 路由节点的位置变换
• 2.3.3 通信链路的连接
• 2.3.4 性能仿真
• 2.3.5 小结
• 2.4 CDH NOC
• 2.4.1 提出背景
• 2.4.2 CDH路由节点的重新标识
• 2.4.3 CDH路由算法
• 2.4.4 仿真结果
• 2.4.5 小节
• 2.5 本章总结
• 第三章 NOC路由节点微结构
• 3.1 NOC路由节点的简介
• 3.1.1 输入缓存（Input Queuing）
• 3.1.2 输出缓存（Output Queuing）
• 3.1.3 虚拟输出缓存（VOQ）
• 3.1.4 结合的输入/输出缓存（CIOQ）
• 3.1.5 NI（Network Interface）接口
• 3.1.6 本文将论述的路由节点
• 3.2 基于输入缓存的路由节点微结构
• 3.2.1 输入模块
• 3.2.2 输出模块
• 3.3 基于输出缓存和VOQ的路由节点的微结构设计
• 3.3.1 微结构设计
• 3.3.2 路由节点微结构的实现
• 3.3.3 路由节点的性能评估
• 3.3.4 VOQ和FIFO OUT的大小选择
• 3.4 可设置仲裁优先程度的路由节点微结构
• 3.4.1 路由节点结构
• 3.4.2 Lottery仲裁器的实现
• 3.4.3 TUM机制
• 3.4.4 性能仿真结果
• 3.4.5 针对具体应用的仿真
• 3.5 本章总结
• 第四章 NOC中互联通信问题研究
• 4.1 双模NOC结构设计
• 4.1.1 黑总线结构
• 4.1.2 双模NOC的网络拓扑
• 4.1.3 双模NOC路由节点的结构
• 4.1.4 双模NOC模式的RTL仿真
• 4.2 基于ID号绑定的NOC数据传输方式
• 4.2.1 提出背景
• 4.2.2 基本原理
• 4.2.3 具体方案设计
• 4.2.4 网络性能评估
• 4.2.5 小结
• 4.3 NOC中存储资源优化策略
• 4.3.1 提出背景
• 4.3.2 NOC中的存储资源分配问题
• 4.3.3 缓存分配算法
• 4.3.4 仿真结果
• 4.3.5 小结
• 4.4 本章总结
• 第五章 NOC软件仿真验证工具
• 5.1 仿真平台的架构
• 5.2 平台的扩展性
• 5.3 网络模型
• 5.3.1 网络拓扑
• 5.3.2 路由算法
• 5.4 节点模型
• 5.5 网络通信模式建模
• 5.6 功耗仿真工具的使用
• 5.7 仿真实例
• 5.8 本章结论
• 第六章 NOC硬件仿真平台
• 6.1 片上网络硬件测试平台设计思想
• 6.2 测试平台的硬件构架
• 6.3 正在开发的NOC硬件平台
• 6.4 硬件仿真实例
• 6.5 本章总结
• 第七章 总结
• 7.1 论文总结
• 7.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果