高性能片上網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)集成的IP核越來(lái)越多，單個(gè)芯片可集成數(shù)百個(gè)IP核。傳統(tǒng)的總線通信方式在可擴(kuò)展性、帶寬、功耗、延遲和可靠性等方面難以滿足復(fù)雜SoC系統(tǒng)需求。通過(guò)借鑒分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通信方式，片上網(wǎng)絡(luò)(Network on Chip，NoC)技術(shù)在芯片內(nèi)部各個(gè)模塊間采用路由和分組交換技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可有效地解決復(fù)雜的SoC通信問(wèn)題。
　　 本論文深入分析了NoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，總

2、結(jié)了系統(tǒng)級(jí)NoC設(shè)計(jì)方法。為了提高NoC系統(tǒng)在功耗、網(wǎng)絡(luò)吞吐率及平均網(wǎng)絡(luò)延遲等方面的性能，在系統(tǒng)級(jí)對(duì)NoC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、映射算法和功耗管理等方面展開(kāi)深入研究，提出了一些新穎的具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的理論與方法。主要的研究?jī)?nèi)容和研究成果如下：
　　 (1)在NoC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，提出了一種新穎的基于五角星形的NoC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用約翰遜編碼實(shí)現(xiàn)NoC節(jié)點(diǎn)編碼，使用全局同步局部異步策略設(shè)計(jì)基于約翰遜編碼的環(huán)形FIFO。利用地址的獨(dú)熱碼編碼方

3、式降低信號(hào)亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生概率，提高存儲(chǔ)器讀寫(xiě)操作速度。根據(jù)五角星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真兩種方法證明五角星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比2D Mesh和Octagon結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。
　　 (2)為了評(píng)估NoC系統(tǒng)FPGA資源占用情況，本文在Xilinx FPGA上驗(yàn)證了基于五角星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的NoC系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增長(zhǎng)，Pentacle結(jié)構(gòu)犧牲部分面積可獲得NoC性能明顯的提高

4、。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，探討了降低路由算法資源占用的方法，提出了針對(duì)五角星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基于約翰遜編碼的路由算法，經(jīng)仿真驗(yàn)證證明該方法比二進(jìn)制編碼的路由算法占用更少的FPGA資源。
　　 (3)針對(duì)帶寬和時(shí)延約束的低能耗NoC映射問(wèn)題，提出兩種基于遺傳算法的映射優(yōu)化算法，分別為災(zāi)變遺傳退火和自適應(yīng)混沌遺傳退火算法。論文對(duì)優(yōu)化算法中使用到的遺傳基因編碼、Boltzmann更新機(jī)制、交叉與變異操作、災(zāi)變遺傳、多鄰域的模擬退火以及自適應(yīng)的

5、混沌優(yōu)化策略進(jìn)行了深入研究，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得到了合適的算法參數(shù)。在算法的實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中，引入Boltzmann更新機(jī)制選擇遺傳個(gè)體，根據(jù)當(dāng)前種群適應(yīng)度的計(jì)算結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整個(gè)體被選擇的概率，使得算法搜索向適應(yīng)度最優(yōu)的方向靠攏，增加較優(yōu)個(gè)體被選擇的概率；對(duì)遺傳操作后的較優(yōu)個(gè)體采用多鄰域的模擬退火操作進(jìn)行優(yōu)化，提高算法的精確度。對(duì)處于停滯狀態(tài)的種群，災(zāi)變遺傳退火算法使用災(zāi)變操作重新初始化部分較差個(gè)體，跳出局部極值；而自適應(yīng)混沌遺傳退火則引入自適

6、應(yīng)混沌方法優(yōu)化適應(yīng)度較差個(gè)體，增加種群多樣性。仿真結(jié)果表明，兩種算法均具有較強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)支持電壓頻率島的NoC能耗優(yōu)化問(wèn)題，提出了基于電壓頻率島劃分、分配以及任務(wù)映射的能耗優(yōu)化方法。該方法通過(guò)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(fù)雜路由器的個(gè)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(guò)隨機(jī)通信任務(wù)和應(yīng)用實(shí)例的仿真驗(yàn)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(tái)中引入多個(gè)電壓頻率島，通過(guò)電壓頻率島劃分、電壓分配、映射優(yōu)化3種策略的有機(jī)結(jié)合，在滿足處理器可靠性約束條件下實(shí)現(xiàn)了NoC功耗的有效管理。
　　 本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、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