多核系統中NoC通訊架構的關(guān)鍵技術(shù)

摘要 多核處理器已經(jīng)成為處理器的主流，并發(fā)展成為各種通信與媒體應用的主流處理平臺。通訊結構是多核系統中的核心技術(shù)之一，核間通信的效率是影響多核處理器性能的重要指標。目前有3種主要的通訊架構：總線(xiàn)系統結構、交叉開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )和片上網(wǎng)絡(luò )?？偩€(xiàn)結構設計相對方便、硬件消耗較少、成本較低；交叉開(kāi)關(guān)是適合用于構建大容量系統的交換網(wǎng)絡(luò )結構；而片上網(wǎng)絡(luò )是更高層次、更大規模的片上網(wǎng)絡(luò )系統，目前可以解決多核體系結構問(wèn)題，是多核系統最有前途的解決方案之一。文中在分析了NoC結構的基本原理、系統結構和功能的同時(shí)，也提供了部分單元的設計實(shí)現。
關(guān)鍵詞 多核處理器；核間通信；總線(xiàn)結構；交叉開(kāi)關(guān)；片上網(wǎng)絡(luò )

在處理器的發(fā)展中，提高處理器主頻的實(shí)現愈加困難，市場(chǎng)上難以看到芯片主頻率高于4 CHz的傳統單處理器。以Intel、AMD公司為代表，依靠不斷提高處理器頻率提升系統性能的時(shí)代即將成為過(guò)去。究其原因有3點(diǎn)：首先僅依靠提升主頻難以大幅度提升CPU的性能，從而減緩了消費者對高頻CPU的熱衷；其次當CPU主頻達到2 GHz以上時(shí)，處理器功耗也達到了近100 W，這是目前風(fēng)冷散熱技術(shù)的極限；第三，在嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域，傳統的單核處理器結構，不能滿(mǎn)足呈幾何級數增長(cháng)的計算規模的需求。單核模式下，利用局部性能提升整體性能的發(fā)展越來(lái)越慢，而基于多核的線(xiàn)程級并行技術(shù)卻為性能提高提供了動(dòng)力，為達到更高的處理效能，多核處理器體系結構應運而生。
多核處理器是一個(gè)芯片內含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的“執行內核”。多核處理器在進(jìn)行體系結構的技術(shù)研究時(shí)，比單核處理器，要面臨更多的挑戰，諸如核間通訊、存儲器體系、低功耗、軟硬件協(xié)調等。如何實(shí)現多核內核之間相互協(xié)作和通信，確保提高處理速度、提高芯片處理器性能，是核間通訊結構研究的主要內容。在多核通訊方式中，目前除繼續沿用單核SoC中的總線(xiàn)結構，如AMBA，CoreConnect，Wishbone，OCP，C*BUS等，主要有交叉開(kāi)關(guān)(Crossbar Switch)、片上網(wǎng)絡(luò )(NoC，Network on-Chip)等結構。其中NoC結構是更高層次、更大規模的片上網(wǎng)絡(luò )系統，目前可以解決多核體系結構問(wèn)題，是多核系統有效的解決方案之一。

1 NoC解決的問(wèn)題及其優(yōu)點(diǎn)
隨著(zhù)工藝的進(jìn)步，產(chǎn)品的性能、面積、功耗以及上市時(shí)間的限制，使設計開(kāi)發(fā)的要求越來(lái)越高。深亞微米設計帶來(lái)的問(wèn)題，使得設計中保證時(shí)序收斂更加困難。NoC(Network on-Chip)的出現為深亞微米的SoC帶來(lái)了持續發(fā)展的動(dòng)力。NoC是更高層次、更大規模的片上系統，是片上的網(wǎng)絡(luò )系統。NoC技術(shù)的核心思想是將計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)移植到芯片設計中，解決多CPU的體系結構問(wèn)題。由于網(wǎng)絡(luò )結構本質(zhì)就是多CPU系統，因此基于網(wǎng)絡(luò )的體系結構是多CPU系統最有前途的解決方案之一。片上網(wǎng)絡(luò )繼承了分布式系統與計算機網(wǎng)絡(luò )的概念，互連結構具有各通信模塊之間并行通信，數據的通信帶寬高，擴展性好，吞吐量大，并可以在一定程度上改善深／超深亞微米條件下信號傳輸線(xiàn)延遲等優(yōu)點(diǎn)，有人稱(chēng)NoC會(huì )成為下一代多核的主流互連結構。
1．1 NoC解決的問(wèn)題
NoC解決的問(wèn)題主要體現在通訊模塊的可重用性和通訊性能的可預測性上。
(1)增加通訊模塊的可重用性。一般SoC概念中，可重用性是IP模塊的復用?；谀K的設計方法，能夠增強設計的可重用性，進(jìn)而減小制造工藝同設計能力之間的差距?？芍赜眉夹g(shù)的優(yōu)越性在于以基于模塊的設計，搭建整個(gè)系統，減少單獨開(kāi)發(fā)每個(gè)部件的設計時(shí)間，同時(shí)減少人為設計的出錯可能，因此降低了系統的設計和驗證時(shí)間。但是當制造工藝發(fā)展到0．13μm以下后，模塊間的互連延遲成為限制系統整體性能的瓶頸，僅靠IP模塊的復用已遠不能滿(mǎn)足整體性能的需求，片上網(wǎng)絡(luò )結構正是利用通信部件的可重用技術(shù)，將不同資源單元之間的路由連接通過(guò)規則的通信部件進(jìn)行連接，為深亞微米技術(shù)帶來(lái)的問(wèn)題提供解決方案。
(2)加強通訊性能的可預測性。片上網(wǎng)絡(luò )因其規則的物理布局和通信網(wǎng)絡(luò )結構，通信性能變得可預測。從物理性能的角度分析，片上網(wǎng)絡(luò )結構決定了其版圖物理性能的可預測性。除時(shí)鐘、電源布線(xiàn)外，交換單元間的互連長(cháng)度以及帶寬都是同定不變的，而設計的不確定性和不規則性都限制在資源單元內部，對于其他資源單元沒(méi)有造成影響；從設計和驗證時(shí)間角度分析，片上網(wǎng)絡(luò )基于模塊的可重用性使得設計和驗證的時(shí)間都可預測，由于片上網(wǎng)絡(luò )結構的規則性，將任務(wù)分配等設計問(wèn)題劃分到了資源單元內部，進(jìn)而將整體應用劃分為獨立任務(wù)。這樣使得片上網(wǎng)絡(luò )系統的設計在較大程度上獨立于具體的實(shí)現階段，更好地進(jìn)行模塊化沒(méi)計，增加了通訊性能的可預測性。
1．2 NoC的優(yōu)點(diǎn)
NoC設計采用全局異步局部同步的方式解決了整個(gè)芯片全局同步面臨的問(wèn)題，有較好的可重用性和可擴展性，平均通信帶寬較高。在NoC中，處理核與網(wǎng)絡(luò )的通訊是通過(guò)簡(jiǎn)單的握手協(xié)議來(lái)完成的，因此網(wǎng)絡(luò )與各處理器的電氣參數、時(shí)鐘信號都可以相對獨立處理，容易控制。此外網(wǎng)絡(luò )與處理器間也可以使用異步通訊，這就不需要系統時(shí)鐘的全局同步，避免了龐大時(shí)鐘樹(shù)所帶來(lái)的時(shí)鐘和面積問(wèn)題，而局部時(shí)鐘線(xiàn)的大量采用可以大幅降低系統功耗。
NoC的各同步單元在遵守通信協(xié)議的前提下協(xié)同工作，如有NoC系統有擴展的需要，只需增加一個(gè)系統中已經(jīng)存在的通信開(kāi)關(guān)的副本，同時(shí)設計一個(gè)通信接口，把擴展的功能單元集成到NoC的網(wǎng)絡(luò )拓撲中就可完成。NoC有可復用可擴展的通信機制，同時(shí)改用全局異步局部同(Glo bal Asynohronized Local Synchronized，GALS)方式工作，沒(méi)有全局的控制信號的干預，所以NoC的可擴展性好。
衡量NoC性能的主要指標就是通信帶寬。NoC采用全局異步局部同步的通信方式，雖然得到了一些好處，但缺點(diǎn)也明顯，例如實(shí)時(shí)通信帶寬不能達理想高度。但從整個(gè)NoC的平均通信帶寬上看，全局的平均通信帶寬比基于總線(xiàn)方式的平均通信帶寬高?？傊S著(zhù)工藝集成度的逐漸提高，NoC在解決全局時(shí)鐘同步問(wèn)題、深亞微米效應、擴展性和設計與生產(chǎn)之間的鴻溝上都優(yōu)于傳統設計方法。

2 NoC的拓撲結構
拓撲結構關(guān)心的是節點(diǎn)的布局和互連。NoC拓撲結構的選擇對系統性能和芯片面積有明顯的影響。NoC可根據應用的需要采用不同的拓撲結構，可分為規則結構、非規則結構等。相對于規則拓撲結構，不規則拓撲結構可以提高性能、降低功耗、減小面積，但同時(shí)產(chǎn)生版圖設計、不均勻的線(xiàn)長(cháng)等設計問(wèn)題。拓撲結構的衡量標準通常是以理論上影響路由成本和性能為基礎，除了要考慮普通網(wǎng)絡(luò )中所關(guān)心的節點(diǎn)數量、邊的數量、網(wǎng)絡(luò )維度、網(wǎng)絡(luò )直徑、平均距離、對分寬度之外，還要考慮通信模式的嵌入屬性，例如消息吞吐量、傳輸延遲、功耗、芯片而積等。

圖1是簡(jiǎn)單的NoC拓撲結構，拓撲結構體現NoC中通訊節點(diǎn)在芯片中的分布和連接。由于系統需求、節點(diǎn)模塊的尺寸和位置不同，需要不同類(lèi)型的拓撲結構，有很多種可供選擇的拓撲結構。良好的拓撲結構必須考慮以下因素：路由節點(diǎn)與處理器節點(diǎn)或者路由節點(diǎn)之間的通信帶有明顯的局部性特征；NoC中資源節點(diǎn)的物理尺寸與通訊節點(diǎn)的物理尺寸相互影響；NoC使用物理連線(xiàn)作為通信信道，因此節點(diǎn)之間的連接不能太復雜，且要具有易擴展性。