SoC設計中的片上通信體系結構研究

自20世紀70年代以來(lái)的大多數時(shí)間內，超大規模集成電路器件的特征尺寸以每三年70 9／6的速度縮小，從而使得數目越來(lái)越多的晶體管可以集成在同一顆半導體芯片上制造。由于具有速度、價(jià)格、面積、功耗和上市時(shí)間上的優(yōu)勢，基于IP核復用技術(shù)的SoC設計逐漸成為超大規模集成電路設計的一個(gè)重要領(lǐng)域，特別是SoC給無(wú)線(xiàn)通信、多媒體和消費類(lèi)電子領(lǐng)域的設計提供了一個(gè)性?xún)r(jià)比更好的集成解決方案。而在SoC設計中，片上通信的研究是國內外SoC設計基礎研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 片上通信體系結構技術(shù)介紹
國內外片上通信體系結構的研究主要有五種：共享總線(xiàn)結構、片上網(wǎng)絡(luò )結構、交叉開(kāi)關(guān)、點(diǎn)到點(diǎn)通信和混合片上通信結構。
共享總線(xiàn)的互連方式可以分為：?jiǎn)慰偩€(xiàn)、多總線(xiàn)和層次化總線(xiàn)。共享總線(xiàn)式的片上通信主要由公司開(kāi)發(fā)并廣泛應用于實(shí)際的SoC設計中，如IBM的CoreCon-nect總線(xiàn)互連框架、ARM公司的AMBA總線(xiàn)，以及其他一些公司的總線(xiàn)等，同時(shí)國內的高等院校也有對共享總線(xiàn)式的片上通信的研究，例如西安電子科技大學(xué)的科學(xué)基金項目“高性能SoC異步互連技術(shù)研究”，南京大學(xué)的科學(xué)基金項目“動(dòng)態(tài)可重構SoC：中數據通信問(wèn)題的研究”等。仲裁器是共享總線(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，現有的仲裁器的優(yōu)先級策略包括靜態(tài)優(yōu)先級策略、時(shí)分多路優(yōu)先級策略和基于隨機數的彩票優(yōu)先級策略的研究。盡管共享總線(xiàn)互連結構能夠適合大量的應用并被采用，但是它也存在一些問(wèn)題。首先SoC中具有各種各樣的IP模塊，每個(gè)模塊都有各自的通信要求，而通常的單總線(xiàn)結構在同一時(shí)刻僅能授權一個(gè)發(fā)出請求的主設備占用共享總線(xiàn)，因此限制整個(gè)SoC的性能。同時(shí)，隨著(zhù)SoC的規模越來(lái)越大，總線(xiàn)結構的長(cháng)互連問(wèn)題、深亞微米技術(shù)下的串擾問(wèn)題以及壓降問(wèn)題，都表現出來(lái)。
近幾年，已有國內外學(xué)者提出采用計算機網(wǎng)絡(luò )的互連通信技術(shù)進(jìn)行SoC的片上網(wǎng)絡(luò )設計與研究，這種片上網(wǎng)絡(luò )結構能夠極大提高多處理器SoC的性能。然而相當于共享總線(xiàn)結構來(lái)說(shuō)，同時(shí)帶來(lái)了較大的硬件和延遲開(kāi)銷(xiāo)。2002年Standford大學(xué)的De Micheli提出了采用將計算機網(wǎng)絡(luò )互連技術(shù)使用到SoC設計中。他認為片上網(wǎng)絡(luò )可以為SoC帶來(lái)更高帶寬的通信鏈路和易于擴展的節點(diǎn)，同時(shí)，采用該技術(shù)可以提高SoC的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。對于片上網(wǎng)絡(luò )，現在的研究主要集中在片上網(wǎng)絡(luò )(NOC)的結構、通信協(xié)議、高層次綜合和設計自動(dòng)化。近年來(lái)，多種基于報文交換網(wǎng)絡(luò )的片上網(wǎng)絡(luò )互連結構被提出，其中較多被研究的包括二維網(wǎng)格NoC、可擴展的可編程片上網(wǎng)絡(luò )SPIN等。