多核系统中NoC通讯架构的关键技术

具体的实现阶段，更好地进行模块化没计，增加了通讯性能的可预测性。

　　1．2 NoC的优点

　　NoC设计采用全局异步局部同步的方式解决了整个芯片全局同步面临的问题，有较好的可重用性和可扩展性，平均通信带宽较高。在NoC中，处理核与网络的通讯是通过简单的握手协议来完成的，因此网络与各处理器的电气参数、时钟信号都可以相对独立处理，容易控制。此外网络与处理器间也可以使用异步通讯，这就不需要系统时钟的全局同步，避免了庞大时钟树所带来的时钟和面积问题，而局部时钟线的大量采用可以大幅降低系统功耗。

　　NoC的各同步单元在遵守通信协议的前提下协同工作，如有NoC系统有扩展的需要，只需增加一个系统中已经存在的通信开关的副本，同时设计一个通信接口，把扩展的功能单元集成到NoC的网络拓扑中就可完成。NoC有可复用可扩展的通信机制，同时改用全局异步局部同（Glo bal Asynohronized Local Synchronized，GALS）方式工作，没有全局的控制信号的干预，所以NoC的可扩展性好。

　　衡量NoC性能的主要指标就是通信带宽。NoC采用全局异步局部同步的通信方式，虽然得到了一些好处，但缺点也明显，例如实时通信带宽不能达理想高度。但从整个NoC的平均通信带宽上看，全局的平均通信带宽比基于总线方式的平均通信带宽高。总之随着工艺集成度的逐渐提高，NoC在解决全局时钟同步问题、深亚微米效应、扩展性和设计与生产之间的鸿沟上都优于传统设计方法。

　　2   NoC的拓扑结构

　　拓扑结构关心的是节点的布局和互连。NoC拓扑结构的选择对系统性能和芯片面积有明显的影响。NoC可根据应用的需要采用不同的拓扑结构，可分为规则结构、非规则结构等。相对于规则拓扑结构，不规则拓扑结构可以提高性能、降低功耗、减小面积，但同时产生版图设计、不均匀的线长等设计问题。拓扑结构的衡量标准通常是以理论上影响路由成本和性能为基础，除了要考虑普通网络中所关心的节点数量、边的数量、网络维度、网络直径、平均距离、对分宽度之外，还要考虑通信模式的嵌入属性，例如消息吞吐量、传输延迟、功耗、芯片而积等。

　　图1是简单的NoC拓扑结构，拓扑结构体现NoC中通讯节点在芯片中的分布和连接。由于系统需求、节点模块的尺寸和位置不同，需要不同类型的拓扑结构，有很多种可供选择的拓扑结构。良好的拓扑结构必须考虑以下因素：路由节点与处理器节点或者路由节点之间的通信带有明显的局部性特征；NoC中资源节点的物理尺寸与通讯节点的物理尺寸相互影响；NoC使用物理连线作为通信信道，因此节点之间的连接不能太复杂，且要具有易扩展性。

　　片上网络结构常用的为直接型结构，即网络中每个节点与相邻节点之间以点对点方式或直接互联的方式连接，如网格（Mesh）结构，Mesh结构足规则的NoC拓扑结构，具备硬件实现简单、网络扩展性好等优点，因此做为NoC以最为常用拓扑结构。包括了规则的Mesh结构、不规则的Mesh结构、多层Mesh结构、稀疏的Mesh结构，二维环状Mesh结构，还有胖树结构、八角形网络等。图2所示为采用二维网格结构的片上网络，这是较常用的系统结构。该二维网格结构由资源单元和网络结构构成，其中网络结构包括交换单元、通信通道和资源与网络的接口，资源单元由嵌入式系统或者存储器系统构成。图中S表示交换单元，P与C分别表示处理器单元与缓冲存储器，D表示DSP单元，re表示可配置单元，如FPGA单元。mi表示资源与网络的接口，M表示存储单元。图中每一个方形区域（Region）用于映射不同结构的系统，例如处理器子系统和存储器子系统合成的区域，区域的规模可以大于一般的资源单元，但区域与片上网络其他部分的互连需要通过交换单元进行。

　　法国Pierre et Marie Curie大学的Pierre Guerrier等人在2000年提出了称为胖树（Fat-tree）结构的网络结构，如图3所示。r是通讯节点，p是资源节点，其在设计一种可升级、可编程的集成网络时采用了这种结构。与二维网状网络相比，胖树结构中树的深度决定了点对点的延迟，两个资源结点间的通讯最多需要经过3个通讯结点。

　　与此同时，F．Karim等人在设计网络处理器时提出了八角形网络结构，如图4所示。类似于胖树网络，该网络中两个资源结点间的点对点的延迟取决于源点与终点的相对位置。任意两个资源结点间的通讯最多需要通过两个内部连线。

　　3  NoC的通讯协议

NoC是片上通信基础结构，借鉴网络中的分层思想，NoC设计采用普通的通信分层方法，定义5个协议层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和