随着专用集成电路技术的成熟，单个芯片上可集成的IP(Intellectual Property)核数目越来越多，基于总线架构的片上系统在时延、吞吐、功耗以及可扩展性等方面面临着巨大挑战。片上网络(Network-on-Chip)作为解决片上多核互连的有效技术，按照通信和计算相分离的思想较好地改善了网络性能。片上网络路由器是负责片上互连通信的关键元件之一，该元件的主要功能是将IP核通过链路进行互连，并为各通信IP核之间提供通信路径的选择和竞争的调度。本文对片上网络路由器设计的关键问题进行总结和比较，对经典虚信道路由器的原理进行了详细分析，且详细介绍了虚信道路由器的几类改进方案并对虚信道路由器在不同网络配置下的性能进行分析。文中首先针对虚信道路由器流水线深度长和缓存利用率低的问题，提出了基于提前分配路径的低时延片上路由器。路由器采用提前路由和仲裁信号提前传输的思想，降低了分组在虚信道路由器中的关键路径时延，提高缓存利用率并优化了网络性能；其次针对三维片上路由器在端口扩展、层间和层内链路长度及带宽不同问题，提出一种面向三维的片上网络路由器结构，该路由器根据片上网络业务分布的特性，按照通信路径集合划分方式将交叉开关规模划分为两个子模块，各模块采用分离三阶段仲裁实现请求匹配，并且在层内与层间采用不同速率进行分组处理。通过OPNET仿真表明，提出的路由器与经典的三维虚信道路由器相比在时延和吞吐等方面均有一定改善,并且交叉开关的硬件开销降低；最后针对轮询调度算法的局部公平和在片上网络应用中的缺陷，提出基于网络信息的片上网络调度算法，该算法将分组在网络中的距离和缓存的信息引入到路由器仲裁中。通过矩阵仲裁思想实现算法的仿真和分析，分组在网络的端到端平均时延、吞吐以及队列等待时间等性能有明显改善。