片上网络自适应路由算法与无缓存结构设计研究

摘要

随着集成电路设计以及半导体工艺技术的持续发展，单个芯片上集成的IP核越来越多。基于传统总线的SoC互连方案具有可扩展性差、全局时钟同步困难、通讯性能低下等问题，难以满足多核芯片的性能要求。片上网络技术将分布式计算网络的设计思想用于复杂SoC互连设计中，能够有效地提高片上核间通信性能，有望成为未来多核以及众核芯片的核间互连技术。本文对片上网络的拓扑结构、路由算法、路由微架构等关键技术进行了研究。分别针对高性能应用需求以及低开销应用需求，对有缓存自适应片上网络以及无缓存片上网络系统进行了设计与实现。
　　本研究基于THNoC和SRNoC拓扑结构提出了一种自适应路由算法（adaptive_STR）。THNoC和SRNoC分别是以传统的2D Torus和2DMesh为骨架，在相邻的每一行和每一列之间增加了流量控制器通道，从而使得数据在相邻的两行和两列之间可以通过一个跳步到达，减少了网络直径。该算法有两个重要的特征：其一是任意路由路径的跳步数不超过2个hop；其二是能够根据网络的实时负载情况自适应地选择路由路径。该路由策略主要由路由器节点的路由算法以及流量控制器的输出端口分配策略所构成。在8×8的网络规模下，对提出的NoC系统进行了设计实现。同时，搭建了时钟精确的片上网络系统性能评估平台，可以实现在random、hotspot、transpose、bitreversal、shuffle、butterfly六种流量分布下，对不同的NoC系统进行性能评估。实验结果显示，与已有的NoC系统相比，所提出的A_str_THNoC和A_str_SRNoC系统的网络饱和吞吐率分别平均提升了58.3％和55.3%，面积开销分别增加了8.7%和5.8%。对无缓存片上网络系统进行了研究和设计实现。提出了一种片上网络拓扑结构----共享置换单元的Mesh结构（SPmesh），该拓扑结构以2D mesh为基本骨架，在路由器节点之间增加了共享置换单元（SP），每四个路由器为一组两两之间添加一个SP。SP增加了路由路径的多样性，减少了数据传输延迟以及数据微片的偏转次数、提升了无缓存NoC的性能。同时，基于该SPmesh拓扑结构提出了一种无缓存片上网络路由策略SPBLESS，该路由策略主要包含路由器节点路由以及SP端口分配策略。并且，对传统的活锁避免策略OF进行改进。在8×8的网络规模下，对提出的 NoC系统以及传统基于mesh的无缓存NoC进行了设计实现。与传统基于mesh的无缓存NoC相比，所提出的SPBLESS的微片平均偏转次数降低了26.7%，网络饱和吞吐率平均提高了13.1%、网络总负载平均降低了27.6%，面积开销增加了19.0%。

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第一章 绪论

1.1研究背景和研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要创新点及工作内容

1.4论文章节安排

第二章 片上网络基础理论

2.1片上网络体系结构与系统组成

2.2片上网络关键技术

2.3片上网络性能指标

2.4本章小节

第三章 基于THNoC和SRNoC的自适应路由算法设计与实现

3.1引言

3.2基于THNoC和SRNoC的自适应路由算法设计

3.3基于THNoC和SRNoC的自适应路由算法实现

3.4时钟精确的片上网络性能验证平台设计

3.5基于THNoC和SRNoC的自适应片上网络性能评估

3.6本章小结

第四章 基于共享置换单元的无缓存NoC结构设计与实现

4.1引言

4.2共享置换单元的无缓存片上网络SPBLESS的设计

4.3共享置换单元的无缓存片上网络SPBLESS的实现

4.4共享置换单元的无缓存片上网络SPBLESS性能评估

4.5本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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