韋良芬，王 勇

（1.合肥工業(yè)大學計算機與信息學院，安徽 合肥 230009；2.安徽三聯(lián)學院計算機科學與技術系，安徽 合肥 230601；3.安徽工程大學計算機與信息學院，安徽 蕪湖 241000）

片上網(wǎng)絡系統(tǒng)設計分析＊

韋良芬1，2，王 勇3

（1.合肥工業(yè)大學計算機與信息學院，安徽 合肥 230009；2.安徽三聯(lián)學院計算機科學與技術系，安徽 合肥 230601；3.安徽工程大學計算機與信息學院，安徽 蕪湖 241000）

片上網(wǎng)絡NOC（Network On Chip，簡稱NOC），近年來受到廣泛關注.介紹了NOC系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)，總結(jié)了NOC的基本設計流程，并給出了NOC研究的關鍵技術及NOC研究的發(fā)展方向.

片上網(wǎng)絡；NOC組成；設計流程；關鍵技術

傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）隨著所包含IP核數(shù)目的不斷增加，面臨著可擴展性、功耗、延時和可靠性等多方面的問題.為了解決SOC存在的這些問題，歐美一些研究機構(gòu)借鑒了計算機網(wǎng)絡通信的思想，提出了一種全新的以通信為中心的集成電路體系結(jié)構(gòu)――片上網(wǎng)絡（Network On Chip，NOC）［1］，并逐漸成為研究熱點.NOC實現(xiàn)了計算資源與通信結(jié)構(gòu)的分離［2］，徹底克服了SOC總線結(jié)構(gòu)中地址空間有限而存在的可擴展性問題、采用分時通信引起的通信效率問題、全局同步存在的功耗和面積問題［3］.

自從NOC的概念被提出以來，受到了國內(nèi)外許多研究機構(gòu)的廣泛關注，NOC被認為是未來集成工藝下多核技術的必然方向，而我國對于片上網(wǎng)絡的研究起步較晚，尚處于早期研究階段.本文在查閱大量文獻資料的基礎上，闡明了NOC基本問題，并就將來NOC的研究工作及發(fā)展趨勢進行一定的分析與探索.

1 NOC的組成

NOC由計算資源和通信網(wǎng)絡2個部分組成，如圖1所示為一個3×3的2DMesh NOC拓撲結(jié)構(gòu)圖.計算資源一般由IP核和本地內(nèi)存組成，完成數(shù)據(jù)的處理任務，IP核可以是CPU、SOC、存儲器陣列、可重構(gòu)硬件或各種專用功能的IP核等；在通信網(wǎng)絡中各路由單元（Router，R）通過通信鏈路按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)連接起來形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，用于完成信息的路徑選擇和轉(zhuǎn)發(fā)任務，網(wǎng)絡接口（Network Interface，NI）用于實現(xiàn)網(wǎng)絡與IP核的連接［4］.

圖1 3×3 2DMesh NOC拓撲結(jié)構(gòu)

2 NOC系統(tǒng)設計流程

NOC系統(tǒng)設計同時涉及應用與通信結(jié)構(gòu)等多層面問題，從系統(tǒng)級應用建模到物理版圖設計，跨越多個層次，需要對片上互聯(lián)的許多相關問題做出設計和選擇.NOC設計通常分為計算資源結(jié)構(gòu)設計和體系結(jié)構(gòu)的設計2個過程.

2.1 計算資源結(jié)構(gòu)設計

計算資源結(jié)構(gòu)設計分為行為級模型與結(jié)構(gòu)模型2個層次，行為級模型設計系統(tǒng)的功能，行為級模型將被劃分并映射到計算資源的結(jié)構(gòu)模型［5］.設計NOC首先應該確定目標應用，完成應用系統(tǒng)的行為描述，根據(jù)行為描述確定通信任務圖，接著選擇執(zhí)行系統(tǒng)功能的各個計算單元（IP核），確定各資源節(jié)點；在分析各計算單元之間數(shù)據(jù)信息傳輸特點的基礎上，建立通信模型并將其映射到各個資源節(jié)點.圖2所示為基于Ip庫的一個通信任務映射過程.

圖2 基于Ip庫的通信任務映射過程

2.2 NOC體系結(jié)構(gòu)設計

NOC體系結(jié)構(gòu)設計必須依據(jù)計算資源結(jié)構(gòu)的設計，這個過程對功耗、性能及其設計成本都有著很大的影響，圖3所示為NOC體系結(jié)構(gòu)設計基本流程.這個設計過程，是在建立通信模型的基礎上，設計最優(yōu)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及協(xié)議，目標是利用盡可能少的網(wǎng)絡資源滿足計算資源之間的通信要求，同時還要考慮系統(tǒng)的性能和可擴展性［6］.體系結(jié)構(gòu)設計中需要進一步選擇有效的路由算法和流量控制策略，目的是用于實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)流的管理；進行通信任務描述的應用特征圖與所設計的NOC體系結(jié)構(gòu)的映射；確定功耗、擁塞點、可靠性以及容錯等問題；確定各個計算單元的最佳布局位置及其通信路徑等.

圖3 NOC系統(tǒng)設計流程

設計好的體系結(jié)構(gòu)需要在仿真平臺上（如OPNET、Nirgam等）對計算資源結(jié)構(gòu)進行仿真和通信跟蹤，仿真結(jié)果用于確定系統(tǒng)的延時、吞吐量、功耗和面積，從而進行系統(tǒng)的修改和完善，直到滿足系統(tǒng)要求為止.NOC基本組件的設計可以通過硬件語言描述和EDA設計工具進行布局布線，再結(jié)合各IP核的映射與布局，完成基于NOC結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)設計.

3 NOC系統(tǒng)設計關鍵技術

NOC系統(tǒng)設計的關鍵技術主要包括應用建模與優(yōu)化、拓撲結(jié)構(gòu)、路由算法、交換技術、緩存策略、服務質(zhì)量和映射優(yōu)化等［7］.近年來，這些技術都不同程度地取得了一定的研究進展，但還需要進一步的探索和研究，從而促進NOC走向大規(guī)模的應用.

3.1 應用建模與優(yōu)化

系統(tǒng)建模是NOC系統(tǒng)設計中最關鍵的技術之一，一個好的應用模型能夠幫助設計者找到應用和體系結(jié)構(gòu)的最佳結(jié)合點，從而適應不同性能和功耗的要求.目前相關研究中通常采用SystemC描述網(wǎng)絡應用模型，文獻［8］中介紹了一種基于SystemC的能夠模擬隨機任務流圖的隨機系統(tǒng).

3.2 拓撲結(jié)構(gòu)設計

NOC系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)定義了計算資源節(jié)點之間的物理連接關系.常見的拓撲結(jié)構(gòu)如2D＿mesh結(jié)構(gòu)、3D＿mesh結(jié)構(gòu)、Torus結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、扁平樹結(jié)構(gòu)等規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)，面向特定應用的通信結(jié)構(gòu)一般為不規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu).NOC的拓撲不僅對網(wǎng)絡延時、面積和功耗等產(chǎn)生影響，對設計策略以及內(nèi)核到網(wǎng)絡節(jié)點的映射也起著重要的作用.

3.3 路由算法

路由是指信息從源節(jié)點傳送到目的節(jié)點路徑選擇的機制.路由算法分為確定性路由算法和自適應路由算法2種類型.源路由算法和XY路由算法是2種典型的NOC確定性路由算法；自適應路由能夠適應網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，但算法實現(xiàn)復雜、開銷大.路由算法應該能夠有效的避免死鎖、活鎖及饑餓等問題.

3.4 交換技術

交換技術定義了NOC中信息的傳遞方式和時機，同時也規(guī)定了信息傳送的格式.NOC中使用的交換機制有面向連接的電路交換，面向無連接的分組交換、虛切通交換和蟲孔交換等.其中蟲孔交換技術能夠?qū)崿F(xiàn)較小的緩存和較短的路徑延時，是NOC交換技術中最常用的選擇.

3.5 緩存策略

NOC系統(tǒng)中需要大量的存儲元件.文獻［6］中介紹，在現(xiàn)有的片上系統(tǒng)中，存儲單元占到芯片總面積的70%～90%，存儲單元所引入的功耗達到系統(tǒng)總功耗的90%左右；NOC中IP核與緩存之間的數(shù)據(jù)交換非常頻繁，有效縮短源節(jié)點與目的節(jié)點之間的距離對提高NOC系統(tǒng)的性能非常關鍵.

3.6 服務質(zhì)量（QoS）問題

NOC的服務質(zhì)量包括保證服務（GS）和盡力服務（BE）2個層次的服務級別，用于滿足不同層次的服務要求.目前NOC領域QOS問題研究一般采用公平機制資源（如虛通道）預留、網(wǎng)絡中支持多種優(yōu)先級以及同步架構(gòu)等方法來實現(xiàn).

3.7 映射優(yōu)化

映射是在給定任務圖、設計約束和IP庫的前提下，將各個任務映射到對應的IP核上，同時確定各個IP核在NOC系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)中的位置的過程.映射是NOC設計中的一個NP問題.目前，映射通常采用啟發(fā)式的算法進行.

4 NOC技術發(fā)展方向

拓撲結(jié)構(gòu)及協(xié)議、服務質(zhì)量、低功耗等是當前NOC研究的焦點.隨著研究的進一步深入，下一步NOC研究發(fā)展方向?qū)性谝韵聨讉€方面：（1）專用NOC映射算法的研究.不同的應用對應不同的通信和流量模型，研究專用NOC的映射算法給設計者帶來了極大的挑戰(zhàn).（2）研究容錯處理技術.在芯片面積增加，IP核增多的趨勢下，大大增加了處理器和片上網(wǎng)絡傳輸過程中出現(xiàn)故障的概率.因而，研究容錯技術，提高NOC的可靠性就成為片上網(wǎng)絡能否成功應用的重要支撐技術之一；（3）研究3維NOC.3維集成技術可以將不同的器件層堆疊起來，從根本上縮短了物理連線的長度，對減小功耗和縮短延時具有重要的意義；（4）研究具有重構(gòu)能力的計算資源結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)電路［7］.

5 結(jié)語

NOC技術自2000年被歐美一些研究機構(gòu)提出以來，受到了研究者的廣泛關注.筆者在大量系統(tǒng)研究相關文獻的基礎上，總結(jié)了NOC的基本設計流程和NOC研究的關鍵技術，并指出了NOC的研究及發(fā)展方向.

［1］BENINI L，MICHELI G D.Networks on Chips：A New SOC Paradigm ［J］.IEEE Computer，2002，35（1）：70－78.

［2］HU J，MARCULESCU R.Energy and Performance－Aware Mapping for Regular NOC Architectures［J］.IEEE Trans.on Computer－Aided Design of Integrated Circuits and Systems.2005，24（4）：551－562.

［3］歐陽一鳴，屠 強.基于重構(gòu)的片上網(wǎng)絡容錯機制 ［J］.電信科學，2010（8）：76－81.

［4］TOBIAS BJERREGAARD，SHANKAR MAHADEVAN.A Survey of Research and Practices of Network－on－Chip［J］.ACM Computing Surveys，2006，38（1）：45－54.

［5］周干民.NOC基礎研究 ［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2005.

［6］尹亞明，陳書明.片上互聯(lián)網(wǎng)絡研究分類與綜述 ［J］.通信學報，2011，32（1）：127－137.

［7］葛 芬.專用片上網(wǎng)絡設計關鍵技術研究 ［D］.南京：南京航空航天大學，2010.

（責任編輯 陳炳權）

Design of Network on Chip System

WEI Liang－fen1，2，WANG Yong3
（1.School of Computer and Information，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Department of Computer，Anhui Sanlian University，Heifei 230601，China；3.School of Computer and Information，AnHui Polytechnic University，Wuhu 241000，Anhui China）

Network on Chip（NOC）has

great attention in recent years.In this paper，the basic composition structure of NOC system is introduced，and the essential design process based on NOC is summarized.Besides，the key technology of and the direction for NOC study are proposed.

network on chip；composition of NOC；design process；key technology

TN47

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.03.014

1007－2985（2012）03－0057－04

2012－03－21

安徽高校優(yōu)秀青年人才基金資助項目（2011SQRL076）；安徽三聯(lián)學院資助項目（10ZLGC009）

韋良芬（1975－），女，安徽舒城人，安徽三聯(lián)學院計算機科學與技術系講師，碩士生，主要從事片上網(wǎng)絡研究；王 勇（1979－），男，安徽舒城人，安徽工程大學計算機與信息學院講師，碩士，主要從事分布式計算、容錯技術等研究.

book=159,ebook=159