片上网络中异步路由节点的关键性技术

摘要

随着纳米级CMOS集成电路技术和片上系统技术的不断发展，片上多处理器已经开始朝多核化和异构化的方向发展，而当前片上系统设计所广泛采用的共享总线结构逐渐成为制约多核处理器系统性能的主要瓶颈，已经无法满足片上系统的需要，因此把互连网络用于片上系统设计，以解决片上组件之间的通信问题，即片上网络。片上网络克服了总线结构可扩展性差的缺点，为十亿晶体管时代提供了一种可行的片上通信机制，并具有高可重用性，其中片上通信结构及通信服务也具有可重用性。而对于片上网络，路由设计是其高性能的关键，但由于同步电路在功耗和延时上的弊端，所以必须采用异步电路等新型电路来实现。
　　 论文对片上网络中异步路由节点的关键性技术进行了系统研究。
　　 首先介绍了路由中基本异步电路单元，如C单元、Muller管道、MUX等，并对其握手协议、结构和设计原理做了详细描述。静态虚通道的引入有效地解决了路由中数据包微片造成的连线端口竞争和由竞争导致的阻塞等问题，提高了系统吞吐量，但是当输入端口较多时，虚通道会成为制约芯片面积和系统功耗的主要参数之一，因此论文又从动态角度讨论了如何有效地分配虚通道。
　　 其次基于传统交叉开关结构，讨论了带宽可控、高速和低功耗交叉开关结构，介绍了基于各种排队机制下的交叉开关结构及其调度算法，详细描述了缓冲交叉开关和局部缓冲交叉开关的结构和原理，提出了RR电路结构，并基于SMIC0.18μm CMOS工艺进行了仿真验证。
　　 最后提出了一种延时不敏感全异步虚通道仲裁器，通过检测虚通道优先级的输入情况来选择仲裁方式，即优先级授权和顺序授权，有效地避免了死锁和拥塞，且门限门的使用使仲裁器延时不敏感，此全异步虚通道仲裁器所具有的优先级动态可变、可扩展性高等优点使其可以满足多服务需求的片上网络。

目录

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第一章 绪论

1.1论文背景

1.2研究路由的必要性

1.3论文的主要工作和安排

第二章 路由中基本异步电路

2.1异步电路设计

2.2异步电路的分类

2.2.1延迟模型

2.2.2环境和电路模型

2.3握手协议

2.3.1信号传输协议

2.3.2数据编码协议

2.4基本异步电路

2.4.1 C单元

2.4.2 Muller管道

2.4.3 MUX

2.4.4 DEMUX

2.4.5 Merge

2.4.6 MUTEX

2.4.7 Arbiter

2.4.8 Fork 和 Join

2.4.9 FIFO

2.5异步电路中的冒险现象

2.6本章小结

第三章 片上网络路由中虚通道技术

3.1流控制虚通道技术

3.2静态虚通道技术

3.2.1 share-unshare结构

3.2.2 credit-uncredit结构

3.3动态虚通道技术

3.4本章小结

第四章 高速交换系统

4.1交叉开关结构

4.1.1传统的交叉开关结构

4.1.2带宽可控交叉开关结构

4.1.3高速交叉开关结构

4.1.4低功耗交叉开关结构

4.2排队机制

4.2.1输出排队交换结构

4.2.2输入排队交换结构

4.2.3虚拟输出排队交换结构

4.2.4联合输入输出排队交换结构

4.3缓冲交叉开关结构

4.4局部缓冲交叉开关结构

4.5本章小结

第五章 仲裁器

5.1仲裁器调度机制

5.2顺序仲裁器结构

5.3优先级仲裁结构

5.3.1静态优先级仲裁结构

5.3.2动态优先级仲裁结构

5.4虚通道路由仲裁器

5.5延时不敏感全异步虚通道仲裁器

5.6一位路由电路及仿真结果

5.7本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

研究成果