SoC設(shè)計中的片上通信體系結(jié)構(gòu)研究
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基于交叉開關(guān)(Crossbar)的片上通信互連結(jié)構(gòu)，包括單級交叉開關(guān)互連和多級交叉開關(guān)互連。文獻[11]認(rèn)為，在理論上對于多處理器的并行計算應(yīng)用，采用交叉開關(guān)進行通信，其效率是最高的；然而，其實現(xiàn)的代價較大。對于一個具有N個節(jié)點的交叉開關(guān)，其實現(xiàn)復(fù)雜度和代價隨著O(N2)增加。一個N×M的交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，每個處理器可以讀寫不同的存儲模塊，所有處理器和存儲模塊可以并行通信。當(dāng)兩個或多個處理器請求訪問同一模塊是，仲裁機制會令一個處理器訪問而其他處理器等待。近年來，隨著集成電路制造的特征尺寸逐漸縮小，交叉開關(guān)互連結(jié)構(gòu)在SoC中也得到了應(yīng)用。
文獻[12]中描述的NextJs SoC芯片，采用了一個具有16個端口的異步交叉開關(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。點對點的片上通信互連結(jié)構(gòu)是指各個IP核之間都有其專用的通信鏈路，相對于共享總線來說，具有獨特的優(yōu)點。例如點到點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，造成布局布線的困難。每個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對點通信的綜合算法。針對H．263應(yīng)用的編碼器，采用該算法進行綜合，與傳統(tǒng)共享現(xiàn)在的綜合結(jié)果進行了比較，芯片上的面積開銷雖然增大4％，但連線長度卻減少了15％，芯片的功耗減小到原來的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(jié)構(gòu)的組合，把整個芯片分為幾個孤島，每個孤島可能采用不同的電壓和時鐘頻率，從而達到對系統(tǒng)具體參數(shù)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)的組合越來越豐富。利用上面提到的各種片上通信結(jié)構(gòu)進行組合，可以充分發(fā)揮各種通信方式的優(yōu)點，如總線方式的開銷較小，且需要共享的數(shù)據(jù)傳輸性能高，而片上網(wǎng)絡(luò)的方式可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院筒⑿行?，具有高的通信帶寬，因此，混合的片上通信結(jié)構(gòu)為高性能的SoC設(shè)計提供了一種新的設(shè)計空間。
對片上通信的體系結(jié)構(gòu)的研究，給SoC中性能優(yōu)化的片上通信設(shè)計提供了一個探索空間。同時，片上通信系統(tǒng)的功耗、可靠性和帶寬等具體性能參數(shù)的研究，對于片上通信的優(yōu)化設(shè)計也具有重要意義。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/157785.htm
2 一種新的片上通信體系結(jié)構(gòu)
據(jù)市場預(yù)測，2010年全球市場SoC規(guī)模將超過IC總市場份額，因此作為SoC設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一的片上通信的研究與設(shè)計，具有重要意義。在國內(nèi)外研究片上通信體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種將共享總線和片上網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合片上通信結(jié)構(gòu)。圖1給出了一個2通道混合片上通信結(jié)構(gòu)的示意圖。該混合片上通信體系結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的片上共享總線與片上網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。這樣，對于具有N個主從設(shè)備的IP核的SoC，經(jīng)配置M個通道可以并行通信。
圖1中的仲裁器用于對所有模塊的通信申請和授權(quán)進行仲裁。這里提出了基于申請和授權(quán)的優(yōu)先級模型。
仲裁序列：在SoC中存在N個主設(shè)備，記為M1，M2，…，Mi，…，MN(i=1，2，…，N)，如果將第i次得到仲裁的主設(shè)備記為Xi，那么稱序列{X1，X2，…，Xi,…}為仲裁序列。
仲裁周期序列段：如果仲裁周期為L(正整數(shù))，那么第i個仲裁周期序列段為：
Mi到Mj的授權(quán)轉(zhuǎn)移：如果Xi為Mi，Xi+1為Mi，那么稱{Xi，Xi+1}為Mi到Mj的授權(quán)轉(zhuǎn)移。
授權(quán)模式：在第i個仲裁周期序列段{X(i-1)×L+1，X(i-1)×L+2，…，X(i-1)×L+L}(i=1，2，…)中，如果第j個主設(shè)備的授權(quán)次數(shù)記為nj(j=1，2，…，N)，那么{n1，n2，…，nj，…，nN}稱為第i個仲裁周期序列的授權(quán)模式。
由授權(quán)模式和仲裁周期的定義，可以得到：
通常，在某一運行時間段，SoC中的各個IP核的優(yōu)先級將不同于另一個運行的時間段，因此，SoC中各個IP核優(yōu)先級必然存在時間局域性。在此前提下，利用存儲的第i個仲裁周期序列段中的授權(quán)模式，可以動態(tài)計算第i+1個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(quán)轉(zhuǎn)移機率。
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