基于片上网络的能量有效路由算法的研究与实现

摘要

随着超大规模集成电路(VLSI)技术的发展和芯片单元的成倍增长，为了支持新的内部单元之间的通信需求，片上通信方案被越来越多的研究。传统的基于共享总线连结和单元之间专用连线的解决方法，因为面临着小型化瓶颈，不再适合使用微米技术来实现。现在的芯片设计更多的是使用复杂的多层和分段互连总线。片上网络技术被认为可以有效解决芯片模块间的全局互连问题，未来的芯片设计会更多地使用由链路、路由器以及相应的通讯协议所组成的成熟的片上网络技术。本文主要研究在能耗约束条件下，片上网络不同拓扑结构下的路由技术。在VLSI中最重要的问题是降低功耗和提高性能，路由技术的设计不可避免地受到这两方面因素的影响。论文首先分析已有的通讯功耗模型，指出原有模型并未充分考虑网络实际通讯状况，不能准确反映通讯过程中的能量消耗；然后在已有模型的基础上引入对系统功耗有着巨大影响的通讯时延，建立了新的更能准确反映实际通讯情况的通讯功耗模型，从而使得对NoC的功耗分析更精确。在二维规则mesh网络中，原有的路由算法主要是确定性路由，本文在研究现有最短路径算法的基础上，综合考虑传输数据相关性、资源节点通讯状况和网络负载，提出了基于最短路径的自适应预测竞争的路由算法(SP-Based Contention-look-ahead Routing Algorithm)。算法根据资源节点间的通讯状况和通讯任务的时间先后顺序分配路由路径，并在网络实际传输时根据网络负载动态调整，从而使通道利用率更加均衡，节点间的通讯时间最短，系统功耗最小，并通过实验证明了算法的优越性。在二维不规则mesh网络中，本文首先根据路由表代价模型，将路由表大小作为评价路由算法性能的关键指标，提出了可以优化硬件资源的度优先XY偏离表路由算法。在算法中我们将确定性XY路由和减小分布式路由下路由表大小结合起来，从而在保证性能的前提下，有效降低了路由代价，优化了硬件资源。最后通过实验比较，证明了这种路由机制与其他几种路由机制相比具有明显的优点。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 SoC设计方法学

1.1.2 SoC的发展趋势——Network on Chip

1.1.3 NoC基本概念

1.2 研究现状分析

1.3 论文的主要研究内容

1.4 论文结构

第2章 NoC能量模型

2.1 引言

2.2 NoC通讯时延模型

2.3 位能量模型

2.3.1 开关功耗

2.3.2 内部缓冲器功耗

2.3.3 内部连线功耗

2.3.4 互连线长度估计

2.4 Mesh网络能量模型

2.5 本章小结

第3章 规则网络路由算法

3.1 引言

3.1.1 片上网络环境

3.1.2 片上网络通信

3.1.3 NoC路由

3.2 问题描述

3.2.1 问题定义

3.2.2 最短路径算法

3.3 基于最短路径自适应预测竞争算法

3.3.1 邻接矩阵生成

3.3.2 路径分配

3.3.3 路由选择

3.3.4 算法分析

3.4 实验与结果分析

3.4.1 NS简介

3.4.2 实验环境

3.4.3 实验分析

3.5 本章小结

第4章 不规则网络路由算法

4.1 引言

4.2 路由表代价模型

4.3 路由算法

4.3.1 偏转表路由

4.3.2 度优先XY偏离表路由

4.4 实验和结果分析

4.4.1 实验场景

4.4.2 结果和分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢