片上网络系统设计分析＊

韦良芬，王 勇

（1.合肥工业大学计算机与信息学院，安徽 合肥 230009；2.安徽三联学院计算机科学与技术系，安徽 合肥 230601；3.安徽工程大学计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000）

片上网络系统设计分析＊

韦良芬1，2，王 勇3

（1.合肥工业大学计算机与信息学院，安徽 合肥 230009；2.安徽三联学院计算机科学与技术系，安徽 合肥 230601；3.安徽工程大学计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000）

片上网络NOC（Network On Chip，简称NOC），近年来受到广泛关注.介绍了NOC系统的基本组成结构，总结了NOC的基本设计流程，并给出了NOC研究的关键技术及NOC研究的发展方向.

片上网络；NOC组成；设计流程；关键技术

传统的总线结构的片上系统（System on Chip，SoC）随着所包含IP核数目的不断增加，面临着可扩展性、功耗、延时和可靠性等多方面的问题.为了解决SOC存在的这些问题，欧美一些研究机构借鉴了计算机网络通信的思想，提出了一种全新的以通信为中心的集成电路体系结构――片上网络（Network On Chip，NOC）［1］，并逐渐成为研究热点.NOC实现了计算资源与通信结构的分离［2］，彻底克服了SOC总线结构中地址空间有限而存在的可扩展性问题、采用分时通信引起的通信效率问题、全局同步存在的功耗和面积问题［3］.

自从NOC的概念被提出以来，受到了国内外许多研究机构的广泛关注，NOC被认为是未来集成工艺下多核技术的必然方向，而我国对于片上网络的研究起步较晚，尚处于早期研究阶段.本文在查阅大量文献资料的基础上，阐明了NOC基本问题，并就将来NOC的研究工作及发展趋势进行一定的分析与探索.

1 NOC的组成

NOC由计算资源和通信网络2个部分组成，如图1所示为一个3×3的2DMesh NOC拓扑结构图.计算资源一般由IP核和本地内存组成，完成数据的处理任务，IP核可以是CPU、SOC、存储器阵列、可重构硬件或各种专用功能的IP核等；在通信网络中各路由单元（Router，R）通过通信链路按照一定的拓扑结构连接起来形成网络结构，用于完成信息的路径选择和转发任务，网络接口（Network Interface，NI）用于实现网络与IP核的连接［4］.

图1 3×3 2DMesh NOC拓扑结构

2 NOC系统设计流程

NOC系统设计同时涉及应用与通信结构等多层面问题，从系统级应用建模到物理版图设计，跨越多个层次，需要对片上互联的许多相关问题做出设计和选择.NOC设计通常分为计算资源结构设计和体系结构的设计2个过程.

2.1 计算资源结构设计

计算资源结构设计分为行为级模型与结构模型2个层次，行为级模型设计系统的功能，行为级模型将被划分并映射到计算资源的结构模型［5］.设计NOC首先应该确定目标应用，完成应用系统的行为描述，根据行为描述确定通信任务图，接着选择执行系统功能的各个计算单元（IP核），确定各资源节点；在分析各计算单元之间数据信息传输特点的基础上，建立通信模型并将其映射到各个资源节点.图2所示为基于Ip库的一个通信任务映射过程.

图2 基于Ip库的通信任务映射过程

2.2 NOC体系结构设计

NOC体系结构设计必须依据计算资源结构的设计，这个过程对功耗、性能及其设计成本都有着很大的影响，图3所示为NOC体系结构设计基本流程.这个设计过程，是在建立通信模型的基础上，设计最优的网络拓扑结构及协议，目标是利用尽可能少的网络资源满足计算资源之间的通信要求，同时还要考虑系统的性能和可扩展性［6］.体系结构设计中需要进一步选择有效的路由算法和流量控制策略，目的是用于实现对输入数据流的管理；进行通信任务描述的应用特征图与所设计的NOC体系结构的映射；确定功耗、拥塞点、可靠性以及容错等问题；确定各个计算单元的最佳布局位置及其通信路径等.

图3 NOC系统设计流程

设计好的体系结构需要在仿真平台上（如OPNET、Nirgam等）对计算资源结构进行仿真和通信跟踪，仿真结果用于确定系统的延时、吞吐量、功耗和面积，从而进行系统的修改和完善，直到满足系统要求为止.NOC基本组件的设计可以通过硬件语言描述和EDA设计工具进行布局布线，再结合各IP核的映射与布局，完成基于NOC结构的片上系统设计.

3 NOC系统设计关键技术

NOC系统设计的关键技术主要包括应用建模与优化、拓扑结构、路由算法、交换技术、缓存策略、服务质量和映射优化等［7］.近年来，这些技术都不同程度地取得了一定的研究进展，但还需要进一步的探索和研究，从而促进NOC走向大规模的应用.

3.1 应用建模与优化

系统建模是NOC系统设计中最关键的技术之一，一个好的应用模型能够帮助设计者找到应用和体系结构的最佳结合点，从而适应不同性能和功耗的要求.目前相关研究中通常采用SystemC描述网络应用模型，文献［8］中介绍了一种基于SystemC的能够模拟随机任务流图的随机系统.

3.2 拓扑结构设计

NOC系统的拓扑结构定义了计算资源节点之间的物理连接关系.常见的拓扑结构如2D＿mesh结构、3D＿mesh结构、Torus结构、环形结构、扁平树结构等规则的拓扑结构，面向特定应用的通信结构一般为不规则的拓扑结构.NOC的拓扑不仅对网络延时、面积和功耗等产生影响，对设计策略以及内核到网络节点的映射也起着重要的作用.

3.3 路由算法

路由是指信息从源节点传送到目的节点路径选择的机制.路由算法分为确定性路由算法和自适应路由算法2种类型.源路由算法和XY路由算法是2种典型的NOC确定性路由算法；自适应路由能够适应网络状态的变化，但算法实现复杂、开销大.路由算法应该能够有效的避免死锁、活锁及饥饿等问题.

3.4 交换技术

交换技术定义了NOC中信息的传递方式和时机，同时也规定了信息传送的格式.NOC中使用的交换机制有面向连接的电路交换，面向无连接的分组交换、虚切通交换和虫孔交换等.其中虫孔交换技术能够实现较小的缓存和较短的路径延时，是NOC交换技术中最常用的选择.

3.5 缓存策略

NOC系统中需要大量的存储元件.文献［6］中介绍，在现有的片上系统中，存储单元占到芯片总面积的70%～90%，存储单元所引入的功耗达到系统总功耗的90%左右；NOC中IP核与缓存之间的数据交换非常频繁，有效缩短源节点与目的节点之间的距离对提高NOC系统的性能非常关键.

3.6 服务质量（QoS）问题

NOC的服务质量包括保证服务（GS）和尽力服务（BE）2个层次的服务级别，用于满足不同层次的服务要求.目前NOC领域QOS问题研究一般采用公平机制资源（如虚通道）预留、网络中支持多种优先级以及同步架构等方法来实现.

3.7 映射优化

映射是在给定任务图、设计约束和IP库的前提下，将各个任务映射到对应的IP核上，同时确定各个IP核在NOC系统拓扑结构中的位置的过程.映射是NOC设计中的一个NP问题.目前，映射通常采用启发式的算法进行.

4 NOC技术发展方向

拓扑结构及协议、服务质量、低功耗等是当前NOC研究的焦点.随着研究的进一步深入，下一步NOC研究发展方向将会集中在以下几个方面：（1）专用NOC映射算法的研究.不同的应用对应不同的通信和流量模型，研究专用NOC的映射算法给设计者带来了极大的挑战.（2）研究容错处理技术.在芯片面积增加，IP核增多的趋势下，大大增加了处理器和片上网络传输过程中出现故障的概率.因而，研究容错技术，提高NOC的可靠性就成为片上网络能否成功应用的重要支撑技术之一；（3）研究3维NOC.3维集成技术可以将不同的器件层堆叠起来，从根本上缩短了物理连线的长度，对减小功耗和缩短延时具有重要的意义；（4）研究具有重构能力的计算资源结构及其实现电路［7］.

5 结语

NOC技术自2000年被欧美一些研究机构提出以来，受到了研究者的广泛关注.笔者在大量系统研究相关文献的基础上，总结了NOC的基本设计流程和NOC研究的关键技术，并指出了NOC的研究及发展方向.

［1］BENINI L，MICHELI G D.Networks on Chips：A New SOC Paradigm ［J］.IEEE Computer，2002，35（1）：70－78.

［2］HU J，MARCULESCU R.Energy and Performance－Aware Mapping for Regular NOC Architectures［J］.IEEE Trans.on Computer－Aided Design of Integrated Circuits and Systems.2005，24（4）：551－562.

［3］欧阳一鸣，屠 强.基于重构的片上网络容错机制 ［J］.电信科学，2010（8）：76－81.

［4］TOBIAS BJERREGAARD，SHANKAR MAHADEVAN.A Survey of Research and Practices of Network－on－Chip［J］.ACM Computing Surveys，2006，38（1）：45－54.

［5］周干民.NOC基础研究 ［D］.合肥：合肥工业大学，2005.

［6］尹亚明，陈书明.片上互联网络研究分类与综述 ［J］.通信学报，2011，32（1）：127－137.

［7］葛 芬.专用片上网络设计关键技术研究 ［D］.南京：南京航空航天大学，2010.

（责任编辑 陈炳权）

Design of Network on Chip System

WEI Liang－fen1，2，WANG Yong3
（1.School of Computer and Information，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Department of Computer，Anhui Sanlian University，Heifei 230601，China；3.School of Computer and Information，AnHui Polytechnic University，Wuhu 241000，Anhui China）

Network on Chip（NOC）has

great attention in recent years.In this paper，the basic composition structure of NOC system is introduced，and the essential design process based on NOC is summarized.Besides，the key technology of and the direction for NOC study are proposed.

network on chip；composition of NOC；design process；key technology

TN47

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.03.014

1007－2985（2012）03－0057－04

2012－03－21

安徽高校优秀青年人才基金资助项目（2011SQRL076）；安徽三联学院资助项目（10ZLGC009）

韦良芬（1975－），女，安徽舒城人，安徽三联学院计算机科学与技术系讲师，硕士生，主要从事片上网络研究；王 勇（1979－），男，安徽舒城人，安徽工程大学计算机与信息学院讲师，硕士，主要从事分布式计算、容错技术等研究.

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