SoC設計中的片上通信體系結構研究
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基于交叉開(kāi)關(guān)(Crossbar)的片上通信互連結構，包括單級交叉開(kāi)關(guān)互連和多級交叉開(kāi)關(guān)互連。文獻[11]認為，在理論上對于多處理器的并行計算應用，采用交叉開(kāi)關(guān)進(jìn)行通信，其效率是最高的；然而，其實(shí)現的代價(jià)較大。對于一個(gè)具有N個(gè)節點(diǎn)的交叉開(kāi)關(guān)，其實(shí)現復雜度和代價(jià)隨著(zhù)O(N2)增加。一個(gè)N×M的交叉開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)處理器可以讀寫(xiě)不同的存儲模塊，所有處理器和存儲模塊可以并行通信。當兩個(gè)或多個(gè)處理器請求訪(fǎng)問(wèn)同一模塊是，仲裁機制會(huì )令一個(gè)處理器訪(fǎng)問(wèn)而其他處理器等待。近年來(lái)，隨著(zhù)集成電路制造的特征尺寸逐漸縮小，交叉開(kāi)關(guān)互連結構在SoC中也得到了應用。
文獻[12]中描述的NextJs SoC芯片，采用了一個(gè)具有16個(gè)端口的異步交叉開(kāi)關(guān)互連方式，在130 nm工藝下，主頻為1．35 GHz，等分封裝帶寬達780 Gb／s。點(diǎn)對點(diǎn)的片上通信互連結構是指各個(gè)IP核之間都有其專(zhuān)用的通信鏈路，相對于共享總線(xiàn)來(lái)說(shuō)，具有獨特的優(yōu)點(diǎn)。例如點(diǎn)到點(diǎn)的通信容性負載相對較小，因此有較小的延遲。但是，由于每個(gè)IP核之間都有通信鏈路，其互連資源必然增多，造成布局布線(xiàn)的困難。每個(gè)IP核也需要更多的通信端口，增加了芯片的面積。文獻[13]中，作者提出了一種基于功耗約束的點(diǎn)對點(diǎn)通信的綜合算法。針對H．263應用的編碼器，采用該算法進(jìn)行綜合，與傳統共享現在的綜合結果進(jìn)行了比較，芯片上的面積開(kāi)銷(xiāo)雖然增大4％，但連線(xiàn)長(cháng)度卻減少了15％，芯片的功耗減小到原來(lái)的26％。
文獻[14]提出了片上通信多樣性概念，即采用不同片上通信結構的組合，把整個(gè)芯片分為幾個(gè)孤島，每個(gè)孤島可能采用不同的電壓和時(shí)鐘頻率，從而達到對系統具體參數優(yōu)化的目的，如功耗、吞吐率。特別是近幾年，片上通信網(wǎng)絡(luò )的提出，使得片上通信網(wǎng)絡(luò )的組合越來(lái)越豐富。利用上面提到的各種片上通信結構進(jìn)行組合，可以充分發(fā)揮各種通信方式的優(yōu)點(diǎn)，如總線(xiàn)方式的開(kāi)銷(xiāo)較小，且需要共享的數據傳輸性能高，而片上網(wǎng)絡(luò )的方式可以增加數據傳輸的可靠性和并行性，具有高的通信帶寬，因此，混合的片上通信結構為高性能的SoC設計提供了一種新的設計空間。
對片上通信的體系結構的研究，給SoC中性能優(yōu)化的片上通信設計提供了一個(gè)探索空間。同時(shí)，片上通信系統的功耗、可靠性和帶寬等具體性能參數的研究，對于片上通信的優(yōu)化設計也具有重要意義。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/157785.htm
2 一種新的片上通信體系結構
據市場(chǎng)預測，2010年全球市場(chǎng)SoC規模將超過(guò)IC總市場(chǎng)份額，因此作為SoC設計的關(guān)鍵技術(shù)之一的片上通信的研究與設計，具有重要意義。在國內外研究片上通信體系結構的基礎上，提出一種將共享總線(xiàn)和片上網(wǎng)絡(luò )相結合的混合片上通信結構。圖1給出了一個(gè)2通道混合片上通信結構的示意圖。該混合片上通信體系結構，傳統的片上共享總線(xiàn)與片上網(wǎng)絡(luò )相結合。這樣，對于具有N個(gè)主從設備的IP核的SoC，經(jīng)配置M個(gè)通道可以并行通信。
圖1中的仲裁器用于對所有模塊的通信申請和授權進(jìn)行仲裁。這里提出了基于申請和授權的優(yōu)先級模型。
仲裁序列：在SoC中存在N個(gè)主設備，記為M1，M2，…，Mi，…，MN(i=1，2，…，N)，如果將第i次得到仲裁的主設備記為Xi，那么稱(chēng)序列{X1，X2，…，Xi,…}為仲裁序列。
仲裁周期序列段：如果仲裁周期為L(cháng)(正整數)，那么第i個(gè)仲裁周期序列段為：
Mi到Mj的授權轉移：如果Xi為Mi，Xi+1為Mi，那么稱(chēng){Xi，Xi+1}為Mi到Mj的授權轉移。
授權模式：在第i個(gè)仲裁周期序列段{X(i-1)×L+1，X(i-1)×L+2，…，X(i-1)×L+L}(i=1，2，…)中，如果第j個(gè)主設備的授權次數記為nj(j=1，2，…，N)，那么{n1，n2，…，nj，…，nN}稱(chēng)為第i個(gè)仲裁周期序列的授權模式。
由授權模式和仲裁周期的定義，可以得到：
通常，在某一運行時(shí)間段，SoC中的各個(gè)IP核的優(yōu)先級將不同于另一個(gè)運行的時(shí)間段，因此，SoC中各個(gè)IP核優(yōu)先級必然存在時(shí)間局域性。在此前提下，利用存儲的第i個(gè)仲裁周期序列段中的授權模式，可以動(dòng)態(tài)計算第i+1個(gè)仲裁周期序列段中的Xi×L+j=Mk(k=1，2，…，N)的機率和Mi～Mj的授權轉移機率。
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