面向?qū)崟r復雜系統(tǒng)的片上網(wǎng)絡架構(gòu)及映射技術研究.pdf

1、隨著半導體集成電路的飛速發(fā)展，未來的片上系統(tǒng)（System on Chip, SoC）芯片中將會集成成百上千個處理核，以實現(xiàn)越來越復雜的功能。在這個發(fā)展趨勢下，SoC芯片面臨著設計、驗證與制造的各項挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)成為了限制SoC芯片速度、功耗、面積、數(shù)據(jù)吞吐量和可靠性的瓶頸。為了解決這個問題，片上網(wǎng)絡（Network on Chip，NoC）作為一種新型的以通信為中心的集成電路互聯(lián)結(jié)構(gòu)被提出來。
　　無線通信技術的發(fā)展對人類

2、社會的生產(chǎn)生活帶來巨大的變革。由于軟件無線電技術只需通過軟件上的更新就能夠修改功能，具有傳統(tǒng)硬件方式所無法比擬的靈活性、開放性和可擴展性；因此，軟件無線電技術被越來越廣泛的應用于無線通信系統(tǒng)中。軟件無線電系統(tǒng)中的信號處理有別于傳統(tǒng)的科學計算，具有數(shù)據(jù)驅(qū)動型和實時性等特點。隨著應用需求的發(fā)展，系統(tǒng)中數(shù)字信號處理的計算量與復雜度越來越高，采用傳統(tǒng)的單核或多核簡單并行的方式已無法滿足實際系統(tǒng)需求。
　　研究表明，在未來的集成電路設計中，

3、大規(guī)模的并行計算與處理技術將取代傳統(tǒng)的串行方式，以提高集成電路處理能力和處理速度。由于片上網(wǎng)絡具有傳輸效率高、功耗低、可擴展性好、傳輸可靠等優(yōu)點，因此基于片上網(wǎng)絡架構(gòu)的大規(guī)模多核并行處理平臺既能為復雜通信系統(tǒng)提供強大的處理能力和高速的運算速度，又具有低功耗和面積的優(yōu)勢，成為未來通信信號處理系統(tǒng)的物理平臺。當前的NoC研究主要以通用系統(tǒng)為背景，缺乏對實時復雜系統(tǒng)的支持?；谏鲜霰尘?，本文結(jié)合通信與數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實時性、并行性、流水性等

4、特性，在三維集成電路和無線片上互連等新興工藝技術基礎上，對面向復雜系統(tǒng)的NoC架構(gòu)與映射技術進行了深入研究。本文的具體貢獻如下：
　　本文第二章提出基于自相似性的多元參數(shù)業(yè)務量模型。通過理論與實驗相結(jié)合的方法，研究了網(wǎng)絡拓撲、任務流圖、映射對業(yè)務量自相似性的影響，根據(jù)通信系統(tǒng)的信號處理特點建立MPSoC數(shù)據(jù)關聯(lián)模型，利用典型DSP系統(tǒng)進行建模實驗，用實測的業(yè)務量Hurst參數(shù)擬合數(shù)據(jù)關聯(lián)模型參數(shù)與Hurst參數(shù)的經(jīng)驗函數(shù)關系式，建

5、立了從MPSoC數(shù)據(jù)關聯(lián)模型預測和估計業(yè)務量Hurst參數(shù)的方法。實驗表明，采用該業(yè)務量模型估計的 Hurst參數(shù)與其真實值誤差較小，能較準確的描述業(yè)務量的自相似性。
　　本文第三章針對新興的三維集成電路技術，提出三種高性能的三維 NoC架構(gòu)模型。利用 De Bruijn圖的低延時、低功耗、容錯等特性設計出基于橋接 De Bruijn圖、基于環(huán)接De Bruijn圖和基于雙De Bruijn網(wǎng)的三維NoC架構(gòu)。設計分別面向最小面積

6、開銷和最短路由路徑的移位路由算法；針對不同架構(gòu)特點，設計出能繞過節(jié)點故障或鏈路故障的容錯機制。實驗證明，在不同的網(wǎng)絡與應用環(huán)境下，這三種架構(gòu)能分別獲得較明顯的性能增益。
　　本文第四章提出面向?qū)崟r復雜系統(tǒng)的 NoC多目標映射模型。改進了能耗的計算方法，結(jié)合通信與信號處理系統(tǒng)特有的注入率、迭代邊界等約束，同時優(yōu)化能耗和I/O關鍵路徑延時。另外，采用細顆粒度任務劃分方法，以及任務與處理核之間的多對多的映射模型，從映射角度調(diào)整節(jié)點負載的

7、均衡性，提高節(jié)點的工作效率與流水操作的并發(fā)性。實驗評估證明，該算法模型的延時和功耗性能優(yōu)于傳統(tǒng)遺傳算法與隨機算法。
　　本文第五章針對新興的片上無線互聯(lián)技術，提出低延時、低功耗的無線NoC架構(gòu)，以及面向無線 NoC平臺的拓撲與映射聯(lián)合設計算法。利用無線信道的靈活互聯(lián)特性與廣播性，提出基于非規(guī)則拓撲的無線 NoC架構(gòu)，設計動態(tài)帶寬分配機制提高網(wǎng)絡吞吐率，給出簡單的多播路由算法與特殊的虛通道控制邏輯以節(jié)約開銷。另外，在約束條件下，以低