高性能片上網(wǎng)絡關鍵技術研究.pdf

1、隨著半導體工藝的發(fā)展，片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)集成的IP核越來越多，單個芯片可集成數(shù)百個IP核。傳統(tǒng)的總線通信方式在可擴展性、帶寬、功耗、延遲和可靠性等方面難以滿足復雜SoC系統(tǒng)需求。通過借鑒分布式計算網(wǎng)絡通信方式，片上網(wǎng)絡(Network on Chip，NoC)技術在芯片內(nèi)部各個模塊間采用路由和分組交換技術進行數(shù)據(jù)通信，可有效地解決復雜的SoC通信問題。
　　 本論文深入分析了NoC設計的關鍵技術，總

2、結了系統(tǒng)級NoC設計方法。為了提高NoC系統(tǒng)在功耗、網(wǎng)絡吞吐率及平均網(wǎng)絡延遲等方面的性能，在系統(tǒng)級對NoC拓撲結構、映射算法和功耗管理等方面展開深入研究，提出了一些新穎的具有實際應用價值的理論與方法。主要的研究內(nèi)容和研究成果如下：
　　 (1)在NoC拓撲結構方面，提出了一種新穎的基于五角星形的NoC拓撲結構。該結構采用約翰遜編碼實現(xiàn)NoC節(jié)點編碼，使用全局同步局部異步策略設計基于約翰遜編碼的環(huán)形FIFO。利用地址的獨熱碼編碼方

3、式降低信號亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生概率，提高存儲器讀寫操作速度。根據(jù)五角星形拓撲結構特點，設計由區(qū)間路由與組內(nèi)路由組成的最短路徑路由算法。通過理論分析和實驗仿真兩種方法證明五角星形拓撲結構比2D Mesh和Octagon結構具有更優(yōu)的網(wǎng)絡性能。
　　 (2)為了評估NoC系統(tǒng)FPGA資源占用情況，本文在Xilinx FPGA上驗證了基于五角星形拓撲結構的NoC系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增長，Pentacle結構犧牲部分面積可獲得NoC性能明顯的提高

4、。根據(jù)拓撲結構的特點，探討了降低路由算法資源占用的方法，提出了針對五角星形拓撲結構的基于約翰遜編碼的路由算法，經(jīng)仿真驗證證明該方法比二進制編碼的路由算法占用更少的FPGA資源。
　　 (3)針對帶寬和時延約束的低能耗NoC映射問題，提出兩種基于遺傳算法的映射優(yōu)化算法，分別為災變遺傳退火和自適應混沌遺傳退火算法。論文對優(yōu)化算法中使用到的遺傳基因編碼、Boltzmann更新機制、交叉與變異操作、災變遺傳、多鄰域的模擬退火以及自適應的

5、混沌優(yōu)化策略進行了深入研究，并通過大量實驗得到了合適的算法參數(shù)。在算法的實際優(yōu)化過程中，引入Boltzmann更新機制選擇遺傳個體，根據(jù)當前種群適應度的計算結果動態(tài)調(diào)整個體被選擇的概率，使得算法搜索向適應度最優(yōu)的方向靠攏，增加較優(yōu)個體被選擇的概率；對遺傳操作后的較優(yōu)個體采用多鄰域的模擬退火操作進行優(yōu)化，提高算法的精確度。對處于停滯狀態(tài)的種群，災變遺傳退火算法使用災變操作重新初始化部分較差個體，跳出局部極值；而自適應混沌遺傳退火則引入自適

6、應混沌方法優(yōu)化適應度較差個體，增加種群多樣性。仿真結果表明，兩種算法均具有較強的全局搜索和局部尋優(yōu)的能力，有效地避免了早熟收斂，提高了算法收斂速度。與標準遺傳算法、混沌遺傳算法相比，具有較好的節(jié)能效果，有效地降低了NoC系統(tǒng)通信能耗。
　　 (4)針對支持電壓頻率島的NoC能耗優(yōu)化問題，提出了基于電壓頻率島劃分、分配以及任務映射的能耗優(yōu)化方法。該方法通過基于處理器可靠性約束的電壓頻率島劃分，降低了處理器能耗；利用近凸區(qū)域選擇的電

7、壓頻率島分配策略，減少了不同電壓島間復雜路由器的個數(shù)；借助量子粒子群算法優(yōu)化了NoC映射，降低了系統(tǒng)的通信能耗。經(jīng)過隨機通信任務和應用實例的仿真驗證，證明所提出的算法有效地降低了NoC系統(tǒng)的整體能耗。論文在NoC平臺中引入多個電壓頻率島，通過電壓頻率島劃分、電壓分配、映射優(yōu)化3種策略的有機結合，在滿足處理器可靠性約束條件下實現(xiàn)了NoC功耗的有效管理。
　　 本文提出的拓撲結構、映射算法以及基于電壓頻率島的能耗優(yōu)化方法，為高性能片