SoC設(shè)計(jì)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(jí)交叉開關(guān)互連和多級(jí)交叉開關(guān)互連。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為，在理論上對(duì)于多處理器的并行計(jì)算應(yīng)用，采用交叉開關(guān)進(jìn)行通信，其效率是最高的；然而，其實(shí)現(xiàn)的代價(jià)較大。對(duì)于一個(gè)具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的交叉開關(guān)，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和代價(jià)隨著O(N2)增加。一個(gè)N×M的交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)處理器可以讀寫不同的存儲(chǔ)模塊，所有處理器和存儲(chǔ)模塊可以并行通信。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)處理器請(qǐng)求訪問(wèn)同一模塊是，仲裁機(jī)制會(huì)令一個(gè)處理器訪問(wèn)而其他處理器等待。近年來(lái)，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(xiàn)[12]中描述的NextJs SoC芯片，采用了一個(gè)具有16個(gè)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(dá)780 Gb／s。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的片上通信互連結(jié)構(gòu)是指各個(gè)IP核之間都有其專用的通信鏈路，相對(duì)于共享總線來(lái)說(shuō)，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。例如點(diǎn)到點(diǎn)的通信容性負(fù)載相對(duì)較小，因此有較小的延遲。但是，由于每個(gè)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(gè)IP核也需要更多的通信端口，增加了芯片的面積。文獻(xiàn)[13]中，作者提出了一種基于功耗約束的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的綜合算法。針對(duì)H．263應(yīng)用的編碼器，采用該算法進(jìn)行綜合，與傳統(tǒng)共享現(xiàn)在的綜合結(jié)果進(jìn)行了比較，芯片上的面積開銷雖然增大4％，但連線長(zhǎng)度卻減少了15％，芯片的功耗減小到原來(lái)的26％。
文獻(xiàn)[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(gè)芯片分為幾個(gè)孤島，每個(gè)孤島可能采用不同的電壓和時(shí)鐘頻率，從而達(dá)到對(duì)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(lái)越豐富。利用上面提到的各種片上通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，可以充分發(fā)揮各種通信方式的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)空間。
對(duì)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(jì)提供了一個(gè)探索空間。同時(shí)，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(duì)于片上通信的優(yōu)化設(shè)計(jì)也具有重要意義。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/157785.htm
2 一種新的片上通信體系結(jié)構(gòu)
據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)，2010年全球市場(chǎng)SoC規(guī)模將超過(guò)IC總市場(chǎng)份額，因此作為SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一的片上通信的研究與設(shè)計(jì)，具有重要意義。在國(guó)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(gè)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(duì)于具有N個(gè)主從設(shè)備的IP核的SoC，經(jīng)配置M個(gè)通道可以并行通信。
圖1中的仲裁器用于對(duì)所有模塊的通信申請(qǐng)和授權(quán)進(jìn)行仲裁。這里提出了基于申請(qǐng)和授權(quán)的優(yōu)先級(jí)模型。
仲裁序列：在SoC中存在N個(gè)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(zhǎng)(正整數(shù))，那么第i個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(yùn)行時(shí)間段，SoC中的各個(gè)IP核的優(yōu)先級(jí)將不同于另一個(gè)運(yùn)行的時(shí)間段，因此，SoC中各個(gè)IP核優(yōu)先級(jí)必然存在時(shí)間局域性。在此前提下，利用存儲(chǔ)的第i個(gè)仲裁周期序列段中的授權(quán)模式，可以動(dòng)態(tài)計(jì)算第i+1個(gè)仲裁周期序列段中的Xi×L+j=Mk(k=1，2，…，N)的機(jī)率和Mi～Mj的授權(quán)轉(zhuǎn)移機(jī)率。
評(píng)論