网格NoC平台中的若干关键技术研究

论文摘要

片上网络（NoC:Network-on-Chip）是一种针对多核SoC设计的新型片上通信架构。对于传统共享总线通信结构中存在的延迟、通信性能瓶颈以及设计效率问题,NoC提供了一种新的片上通信结构解决方案。本文首先论述了NoC的国内外研究现状,然后论述了以NoC为通信架构的系统芯片设计流程。在此基础上,我们针对二维网NoC拓扑结构,分析了其性能特点、路由算法、以及NoC中单个路由节点功耗和性能评估模型,并同时与通用的片上共享总线的性能与硬件开销进行了比较。同时,低功耗是超大规模集成电路设计的一个趋势,特别是对一些嵌入式系统、移动终端以及手持设备。对于NoC设计,可以分别在各个层次,如物理层、链路层、网络层、应用层等降低NoC的能量消耗。本文针对NoC这种片上通信架构,主要研究在网络层和应用层进行低功耗设计的技术以及性能分析方法,其主要工作如下:首先,针对超深亚微米半导体工艺下,片上通信的数据完整性日益严重的问题,提出了一种自适应的NoC链路数据保护方法。该方法根据通信链路的错误概率以及系统的可靠性约束要求,自适应的在片上通信链路的可靠等级与功耗之间进行折衷,使得满足片上通信链路数据完整性要求的同时,NoC的通信能量消耗最小。其次,针对NoC采用网络通信的特点,提出了一种基于网络积分的NoC报文延迟计算方法。该方法通过对输入报文的到达曲线以及路由节点的服务曲线分析,采用网络积分理论,计算出报文在NoC中的传输延迟;同时对NoC中路由节点采用不同仲裁策略的报文延迟计算方法进行了研究,并在准确度上与周期准确级仿真进行了比较。再次,针对NoC设计过程中IP核映射和路由分配两个关键步骤,提出了一种基于PSO的低功耗IP核映射和链路平衡的路由定制算法PLBMR。针对二维网格NoC,在提出了NoC能量消耗和通信链路负载平衡的数学计算方法的基础上,解决了IP核映射和路由分配的PSO粒子表示问题。但是对于不同的应用,各个IP之间的通信数据流类型会有很大差别,为了得到优化的性能,需要根据具体的应用设置合适的算法参数。最后,针对不规则的2维NoC拓扑结构,提出一种避免死锁的低功耗全定制路由算法EATP。该路由算法以转弯禁止的死锁避免路由算法为基础,考虑链路长度以及链路上通信容量两个因数,选择合适的转弯被禁止,同时保证NoC的全连接,然后采用Dijkstra最短路由路径算法,构造所有通信流的路由路径。EATP算法采用路由表的方法构造定制路由,保证了在合理的面积开销范围内,解决了不规则NoC的死锁问题,同时使得NoC通信能量消耗最小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 NoC的工业研究与使用
• 1.2.3 国内研究现状
• 1.3 NoC设计方法学
• 1.3.1 NoC概念
• 1.3.2 SoC通信结构以及设计方法的演变
• 1.3.3 NoC设计流程
• 1.3.4 NoC设计目标
• 1.3.5 NoC设计工具
• 1.4 NoC平台结构以及关键技术
• 1.4.1 NoC拓扑结构
• 1.4.2 NoC交换技术
• 1.4.3 NoC路由算法
• 1.4.4 NoC能量消耗模型
• 1.4.5 NoC路由节点模型
• 1.4.6 NoC数据保护
• 1.5 论文研究内容
• 1.5.1 自适应链路数据保护
• 1.5.2 网络积分基础的NoC延迟性能分析方法
• 1.5.3 基于PSO的IP核映射和路由分配算法
• 1.5.4 基于不规则NoC低功耗的死锁避免路由算法
• 1.6 论文结构
• 第2章 基于虫孔交换的NoC平台设计
• 2.1 引言
• 2.2 基于虫孔交换的路由节点结构实现
• 2.2.1 报文格式设计
• 2.2.2 接口协议设计
• 2.2.3 路由节点结构
• 2.3 NoC自动产生与仿真环境AutoNoCGen
• 2.4 NoC性能分析
• 2.4.1 功耗分析
• 2.4.2 与共享总线的性能比较
• 2.5 结论
• 第3章 低功耗的NoC自适应数据保护
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.3 NoC的错误概率及功耗分析
• 3.3.1 噪音模型
• 3.3.2 错误保护机制
• 3.3.3 有的错误校正机制
• 3.4 自适应错误数据保护
• 3.5 实验结果与分析
• 3.5.1 各种机制的硬件开销分析
• 3.5.2 随机流量试验
• 3.6 结论
• 第4章 基于网络积分的NoC延迟性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 平台结构
• 4.3 系统模型分析
• 4.3.1 网络积分基础
• 4.3.2 服务区线基础的应用具体NoC系统模型
• 4.4 延迟性能分析
• 4.4.1 采用FP仲裁的延迟上边界
• 4.4.2 采用WRR仲裁的延迟上边界
• 4.4.3 采用TDMA仲裁的延迟上边界
• 4.5 仿真分析
• 4.6 结论
• 第5章 基于PSO的NoC映射与路由分配
• 5.1 引言
• 5.2 问题形式化
• 5.3 基于PSO的NoC映射与路由分配
• 5.3.1 PSO优化算法
• 5.3.2 PLBMR阶段1-映射IP核到NoC
• 5.3.3 PLBMR阶段2-路由路径的分配
• 5.4 实验结果
• 5.4.1 随机APCG的实验
• 5.4.2 与GA和BnB算法的比较结果
• 5.4.3 链路负载平衡的比较结果
• 5.5 结论
• 第6章 基于不规则虫孔NoC的低功耗路由
• 6.1 引言
• 6.2 不规则的NoC平台结构
• 6.3 死锁理论
• 6.3.1 死锁概念
• 6.3.2 死锁避免定理
• 6.3.3 死锁避免的充要条件
• 6.3.4 二维网格死锁避免方法
• 6.4 低功耗的不规则虫孔NoC路由算法
• TP'>6.4.1 低功耗的死锁避免NoC路由算法EA_TP
• TP路由算法分析过程'>6.4.2 低功耗EA_TP路由算法分析过程
• 6.4.3 硬件实现代价
• 6.4.4 算法计算复杂度分析
• 6.5 实验结果
• 6.6 结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢
• 个人简历