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专用片上网络设计方法:通信建模、拓扑构造与自动生成

马立伟  
【摘要】: 随着特征尺寸进入纳米量级和芯片面积的不断扩大,全局连线的延时上升以至数倍于芯片时钟,传统的总线和端对端连接结构已经不能满足片上系统(System-on-Chip,SoC)的通信需求。片上网络(Network-on-Chip,NoC)使用基于数据包传输的方法,为模块之间的互联提供了高效、可靠、灵活的通信架构,成为解决片上系统通信问题最有潜力的方案之一。由于芯片面积、功耗和性能的限制,片上网络必须针对特定的应用专门定制;通过分析片上系统特定的通信需求,设计专用的片上网络是可行的。本文通过提取片上系统的通信特征,构造片上网络的拓扑结构,自动生成网络结构的源代码,给出了专用片上网络(application-specificNoC)设计的一般方法。 本文定义了片上系统的对象消息级原型,使用面向对象的方法对系统进行建模,然后利用特定的规则把对象映射为硬件模块,把对象间的函数调用映射为网络上的消息传递,从而完成系统划分和通信特征提取。利用该原型开发的H.263系统原型验证了这种方法的可行性。 本文将拓扑构造问题转化为离散平面上的模块布局与流量布线问题,在通信能量代价、时延代价和网络面积代价等方面进行了优化。本文讨论了用于片上网络拓扑构造的离散平面必要的性质,给出四种离散平面实例,总结了它们的几何性质。逐点分裂的模块布局算法使用演化的方法学习和适应系统与网络之间的耦合关系,与随机布局结果相比可以节省30%的能量代价和20%的时延代价。并行串行混合的流量布线算法使用最短路径连接通信模块,并优化网络面积代价,可节省10%–30%的离散平面布线通道。 本文定义了基于源路由算法和虫孔交换策略的通信协议,可以适应不规则的拓扑结构,适宜设计简洁的路由器。本文设计了可配置的路由器模板,提供了巨大的片上网络设计空间,完成了网络硬件描述源代码的自动化生成。本文通过对一系列的路由器的逻辑综合结果进行线性拟合,确立了路由器代价与各配置参数之间的相关系数,可用于指导路由器的配置。


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