NoC中通信过热点问题及容错路由方法研究

摘要

随着超大规模集成电路的发展，单个芯片上容纳的晶体管数量越来越多，从而可以集成数以百计的IP核。由于传统的片上系统(System-on-Chip,SoC)采用了总线结构，使得SoC存在着地址空间有限、无法同时支持一对以上的用户通信和全局时钟同步等问题。单个芯片上集成的IP核的增多，将导致这些缺点不可调和。因此，SoC已经不适应未来集成电路的发展需求。为了解决上述问题，一些专家和学者借鉴了计算机网络技术，提出了全新的互连结构——片上网络(Network-on-Chip，NoC)。片上网络从体系结构上解决了传统的SoC所固有的问题，并且采用了全局异步局部同步(Globally Asynchronous LocallySynchronous，GALS)的通信机制，提供了良好的并行通信能力，使得NoC成为面向纳米工艺的新型体系结构。
　　 目前，2D-Mesh结构的NoC是研究的最早、最广泛的拓扑结构。它的结构规则，并且易于实现。本文基于2D-Mesh结构展开研究，重点介绍了2D-Mesh结构片上网络通信的相关知识，针对片上网络通信过程中的过热点问题和通信时的路由器与链路容错问题提出了相应的解决方案。
　　 本论文的主要工作如下：
　　 (1)介绍了片上网络产生的背景、片上网络研究的关键问题和国内外研究现状；此外，还介绍了2D-Mesh结构的NoC以及交换机制、路由算法和路由器与链路的容错技术等相关知识。
　　 (2)深入分析2D-Mesh NoC的通信特点，提出了一种新的片上网络通信中过热点的弱化方案。该方案分别通过调节通信量较大的IP核所连的路由器的通信量和通信时尽量平衡整个网络的流量，从而达到弱化过热点的目的。本文增加了该类IP核所连接的路由器的数量，将原本一个路由器所承担的通信量分配到多个路由器上；并且在数据通信时采用了新的适应性路由算法来达到网络的流量均衡。实验结果表明，该方案能够有效的解决过热点的目的。
　　 (3)针对NoC中路由器与链路的故障，提出了一种能够容错的可重构路由方案。若NoC中的路由器与链路出现故障，将导致NoC的通信不能有效的进行。该方案为每个路由器的输出端口设置标志寄存器，通过标志寄存器为路由算法提供路由器与链路的故障信息；在路由时避免经过出现故障的路由器与链路，从而达到NoC容错的目的。实验表明，该方案在保证NoC通信的基础上，具有较低的通信延时。

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致谢

第一章 绪 论

1.1 NoC产生的技术背景

1.1.1 SoC面临的问题

1.1.2 NoC的特点

1.2 NoC的关键问题

1.2.1 NoC的拓扑结构

1.2.2路由问题

1.2.3交换机制

1.2.4服务质量(QoS)问题

1.2.5流量控制问题

1.2.6网络接口

1.2.7性能评估问题

1.2.8映射问题

1.3 NoC国内外研究现状

1.3.1国际研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4课题来源、创新点及文章结构安排

1.4.1课题来源及创新点

1.4.2文章的结构安排

第二章 基于2D-Mesh结构的NoC通信架构概述

2.1 2D-Mesh结构

2.2 2 D-Mesh NoC通信节点

2.3 NoC基本交换技术

2.3.1电路交换技术

2.3.2存储转发交换技术

2.3.2虚拟直通技术

2.3.3虫洞路由

2.4虚拟通道与死锁

2.4.1虚拟通道

2.4.2死锁的产生

2.4.3死锁的避免

2.5 NoC路由算法

2.5.1确定性路由(Deterministic Routing)

2.5.2自适应路由(Adaptive Routing)

2.6 NoC通信中的容错技术

2.6.1多路径容错方法

2.6.2源路由容错方法

2.6.3可重构容错方法

2.7 本章小结

第三章 片上网络通信中过热点的弱化方法

3.1片上网络通信中的过热点

3.2大通信量路由器上弱化过热点

3.3通信过程中弱化过热点

3.4实验结果

3.4.1实验模型

3.4.2实验结果

3.5本章小结

第四章 基于重构的片上网络容错通信方法

4.1可重构容错路由算法概述

4.2容错模型

4.3基于重构的动态容错路由算法

4.4实验结果

4.4.1实验模型

4.4.2 实验结果

4.5本章小结

第五章 总结及展望

5.1论文工作总结

5.2 工作展望

参考文献

附录