基于NOC的分布式内存管理多核系统的设计

摘要

随着纳米科技的发展，在单个芯片上集成多个嵌入式处理器(MPSoC)成为了可能。MPSoC被证明是一种极有前景的解决方案，能满足现实世界复杂应用不断提升的性能。而相对于传统的共享总线，片上网络(NoC)被提出用来满足MPSoC上多个处理器之间的通信交流，具有有效性可扩展性等优点。在FPGA上设计MPSoC是一个新的重要发展趋势。这个趋势促进了基于FPGA的原型设计的快速发展，并允许设计者研究新的结构而不用担心它们的ASIC产品。在基于NoC的MPSoC中，特别是对于中等和大规模系统，设计者一般倾向于扩展性好，拥有合理的竞争和内存访问延迟的分布式存储器，而集中式存储器已经成为了性能，功耗，成本等方面的瓶颈。
　　本文对基于NOC的片上多核系统进行了研究，在Zedboard FPGA上设计了DME系统，有效解决了多个处理器之间通信和同步的问题。整个系统使用了4个Xilinx公司的MicroBlaze处理器和1个ARM公司的Cortex-A9双核处理器。DME系统包括时间标记单元，同步单元，数据传送单元，基于FIFO的通信单元，内存管理单元，Switch，MicroBlaze接口和网络接口。每个处理器都可以将其本地的存储器数据发送至其他处理器或者访问其他节点的资源。时间标记单元将每一个传输的数据标记时间，确保其他节点收到的数据没有超时。此外，为了配合DME系统的硬件机制，本文为每一个功能模块设计了配套的API原语。使得用户能够在简单的了解API原语之后，就可以对整个系统进行操作。整个系统在NC-Verilog环境下对每一个模块进行了功能仿真，仿真结果符合设计预期。并在FPGA中进行了硬件测试，主要是对每一个API原语设计了测试程序，测试结果符合设计预期。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 本文的工作

第二章 软硬件平台介绍

2．1 FPGA介绍

2．1．1 FPGA系统架构简要说明

2．1．2 FPGA相对于其他集成电路的优点

2．1．3 FPGA设计流程

2．2 硬件平台——Zedboard介绍

2．2．1 PS介绍

2．2．2 PS接口

2．2．3 PL介绍

2．3 软件平台——Xilinx Design Suits及NC-Verilog

2．4 本章小结

第三章 多核系统设计及模块划分

3．1 基于FPGA的MPSoC介绍

3．1．1 基于FPGA的MPSoC的优势

3．1．2 架构背景

3．1．3 MPSoC分类

3．2 多核系统设计

3．2．1 MicroBlaze和Cortex-A9处理器

3．2．2 AXI4总线协议

3．2．3 Switch模块

3．2．4 DME模块

3．3 本章小结

第四章 多核系统的软硬件实现

4．1 MicroBlaze接口(MI)

4．2 网络接口(NI)

4．3 时间标记单元(TSU)

4．3．1 硬件结构

4．3．2 软件API

4．3．3 参数

4．3．4 寄存器

4．3．5 端口定义

4．4 基于FIFO的通信单元(FCU)

4．4．1 硬件结构

4．4．2 软件API

4．4．3 传输过程

4．4．4 参数

4．4．5 寄存器

4．5 内存访问单元(MAU)

4．5．1．硬件结构

4．5．2．本地内存

4．5．3．参数

4．6 本章小结

第五章 多核系统的软件仿真和硬件测试

5．1 软件仿真

5．1．1 时间标记单元

5．1．2 MicroBlaze接口

5．1．3 网络接口

5．1．4 基于FIFO的通信单元

5．1．5 内存访问单元

5．2 硬件测试

5．2．1 时间标记单元

5．2．2 基于FIFO的通信单元

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

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