随着集成电路制造工艺的发展，电子元器件特征尺寸的不断缩小，单个芯片上可以集成上百个IP核。当芯片上IP核数增多且同构模块和异构模块广泛结合以后，总线共享的传统片上系统的通讯架构将面临许多问题，如可扩展性问题、通讯效率问题、功耗和面积等问题。为了解决这些问题，研究学者们提出了一种新的基于包交换机制的片上互连结构，即片上网络（Network-on-Chip,NoC）。它较总线结构具有更好的可扩展性、可预见性和性能。但芯片上的互连线仍然是影响超大规模集成电路性能和功耗的瓶颈，二维封装技术不能满足芯片高密度组装的需求，这推动了三维立体封装技术的发展，将3D集成技术与NoC有机结合，形成3D NoC的架构，进一步提高系统的性能，降低功耗。本文基于Mesh型的3D NoC架构展开研究，重点介绍了3D-Mesh NoC片上通信的相关知识。并针对片上通信过程中硅通孔（Through Silicon Via，TSV）故障问题和TSV路由器延时大功耗高的问题，给出了相应的解决方案。论文的主要研究工作如下：（1）介绍了3D NoC发展的背景和目的、研究的关键问题以及国内外的研究现状；除此之外，还介绍了基于Mesh型的3D NoC结构、交换机制、容错技术和目前3D NoC的研究热点等相关知识。（2）在3D NoC中，连接层间相邻路由器的两组单向TSV发生故障，数据便不能经该通道传输。本文提出一种在基于簇的3D NoC中添加双向TSV的容错设计。在这两组单向TSV间添加一组冗余的可动态配置的双向TSV，任何一组单向TSV故障，都可通过配置该双向TSV来替换故障TSV，继续传输数据，实现容错。无故障TSV时，也可配置该双向TSV来帮助传输数据包，实现数据的高速传输。实验结果表明，该设计大大减少了数据包传输延时，增强了系统可靠性。（3）针对TSV路由器延时大功耗高的问题，本文将TSV路由器设计成双交叉开关的架构，即主交叉开关（Master Crossbar）和从交叉开关（SlaveCrossbar）。TSV路由器的每个输入端口分成两个子端口，其中与Master Crossbar相连的端口无输入缓冲区，而与Slave Crossbar相连的端口设有输入缓冲区。数据传输优先选择Master Crossbar，当其忙时则选择Slave Crossbar，如此减少数据包的传输延时，降低功耗，同时双交叉开关还可以实现对交叉开关的容错。