【摘 要】
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随着片上系统(System-on-Chip,SoC)设计进入十亿晶体管时代,越来越多的半导体IP核集成在单个芯片中。基于传统总线的同步通信架构在带宽、时钟同步和通信效率等方面都显现出局限性。为此,研究人员提出了另外一种系统架构-片上网络(Network-on-Chip,NoC),把宏观的计算机网络通信方式移植到单个芯片上实现多处理系统。随着NoC通信规模的扩大,网络布局以及连线过于复杂,致使整个N
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随着片上系统(System-on-Chip,SoC)设计进入十亿晶体管时代,越来越多的半导体IP核集成在单个芯片中。基于传统总线的同步通信架构在带宽、时钟同步和通信效率等方面都显现出局限性。为此,研究人员提出了另外一种系统架构-片上网络(Network-on-Chip,NoC),把宏观的计算机网络通信方式移植到单个芯片上实现多处理系统。随着NoC通信规模的扩大,网络布局以及连线过于复杂,致使整个NoC系统通信延迟过大,因此如何降低NoC传输延迟、提高NoC吞吐率成为研究重点。异步电路具有延迟不敏感、鲁棒性强、系统集成复杂度低等特点,是解决该问题的一种可行方案。本文根据异步电路有传输速度快、易于模块化、设计灵活等优点,结合NoC内路由器间通信和路由器内部逻辑结构的特点,提出一种新的异步路由器设计方案。在吞吐率、传输延迟、功耗等众多影响NoC性能的因素约束下,将交换结构作为异步路由器设计的基本结构,采用流水线异步样式管道,即MOUSETRAP模块,作为路由器间通信握手模块。用二相握手协议作为路由器间以及路由器内各模块间通信协议,设计出二相和四相通信协议转换的异步单元,实现路由器内二相和四相握手协议转换。在均匀和非均匀流量情况下,通过改进低延迟最关键优先队列调度算法(The Most Critical Queue First-Round Robin,MCQF_RR),将其应用到NoC内路由器数据传输上。此外,结合本文设计的异步路由器,设计了相应的异步资源网络接口和网络资源接口。在资源网络接口中,打包器采用奇偶格式打包,缓存模块采用时分复用的思想以降低读、写过程延迟。在网络资源接口中,缓存模块采用虫洞交换模式将不同数据包的微片进行分类,存储到不同虚通道内,保证每个虚通道存储的是来自同一个数据包微片;数据包重组器采用双指针写、单指针读的方法降低微片组包过程延迟;解包器采用流水线方式对重组的数据包进行数据解析,并将解析后的数据发送给相应的资源节点。最后用Verilog Hdl语言完成路由器内各个模块设计,并进行仿真,在FPGA平台上测试验证。实验结果表明:设计的异步路由器单个数据包延迟为9.5个时钟周期,吞吐率为0.2Flits/Cycle/Node,满足在大数据量传输时低延迟要求。
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