【摘要】：SoC(System on Chip)內(nèi)部以總線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的核間通信方式在傳輸速率、延時、規(guī)模擴(kuò)展、全局時鐘同步等方面面臨愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),急需一種新的片上核間通信方式來解決這些問題,片上網(wǎng)絡(luò)(NoC,Network on Chip)隨之被提出。片上網(wǎng)絡(luò)將片上總線的通信方式轉(zhuǎn)變成基于網(wǎng)絡(luò)分層和數(shù)據(jù)包交換的方式,將任務(wù)執(zhí)行(運(yùn)算、存儲)和數(shù)據(jù)傳輸通信進(jìn)行了有效分離,有利于降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度;同時,較總線結(jié)構(gòu),片上網(wǎng)絡(luò)還在擴(kuò)展性、復(fù)用性、預(yù)測性、定制性等方面都有明顯的優(yōu)勢,其必然代替片上總線成為新一代SoC片內(nèi)通信的基礎(chǔ)設(shè)施,因此有必要對片上網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分類研究。另外,SoC的集成度越來越高,其內(nèi)部任何模塊故障都會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響,甚至導(dǎo)致整個SoC芯片失效,進(jìn)而使整個系統(tǒng)停止工作,因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時必須考慮必要的容錯措施,以提高整個系統(tǒng)的可靠性。本文結(jié)合片上網(wǎng)絡(luò)的組成及研究現(xiàn)狀,就系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度映射、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、路由算法等問題進(jìn)行了詳細(xì)研究,以提高片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在功耗、吞吐率和平均延時方面的性能。同時,分別在應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了容錯設(shè)計(jì)研究。論文的主要研究內(nèi)容及成果如下:任務(wù)調(diào)度映射方面,結(jié)合片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度特點(diǎn),設(shè)計(jì)了任務(wù)模型、通信核圖模型。通過模型能夠準(zhǔn)確計(jì)算出任務(wù)在不同分配方案下的運(yùn)行成本、通信成本以及遷移成本,為調(diào)度算法提供詳細(xì)準(zhǔn)確的對比數(shù)據(jù);同時,根據(jù)任務(wù)規(guī)模與可調(diào)用處理單元數(shù)目的相對關(guān)系,將任務(wù)調(diào)度問題劃分為兩種情況分類解決:對于任務(wù)規(guī)模相對可調(diào)用處理單元數(shù)較小,任務(wù)執(zhí)行只調(diào)用部分處理單元的情況,分任務(wù)劃分調(diào)度與任務(wù)映射兩大步驟分別執(zhí)行;對于任務(wù)需要調(diào)用片上全部處理單元的情況則通過調(diào)度算法一步完成。將粒子群算法進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計(jì),使其適用于處理異構(gòu)多核上的任務(wù)調(diào)度問題,同時解決了粒子群算法在任務(wù)調(diào)度前期收斂速度過快易出現(xiàn)早熟、后期局部搜索能力弱的問題。拓?fù)浞矫?針對不同類型任務(wù)的通信需求差異,分析了蜂窩網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)通信方面的優(yōu)勢,設(shè)計(jì)了一種類蜂窩狀的片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則,占用資源少,易于擴(kuò)展。拓?fù)鋯卧闹行奈恢每稍O(shè)置備有路由節(jié)點(diǎn),為通信密集型任務(wù)提供更多鏈路選擇,降低擁塞概率;同時對可靠性要求高的處理單元,設(shè)計(jì)了雙端口結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)接口(NI,Network Interface),使得任何一個處理單元至少有兩條路徑與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),當(dāng)部分路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時能夠快速切換到其他通信路徑,而不至于使整個系統(tǒng)的性能降低太多,提高了系統(tǒng)的可靠性。路由方面,引入了緩存占用率和數(shù)據(jù)包跳轉(zhuǎn)次數(shù)等參數(shù),結(jié)合傳統(tǒng)的維序路由和禁止拐彎模型各自優(yōu)勢,針對類蜂窩片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)容錯路由算法,算法保證了在數(shù)據(jù)傳輸過程中能夠很好的避開故障節(jié)點(diǎn)或區(qū)域,同時能夠?qū)崟r的感知傳輸路徑上的擁塞情況并動態(tài)調(diào)整傳輸路線。NoC實(shí)現(xiàn)方面,在分析硬件仿真優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,基于SoCKit平臺搭建了一個NoC系統(tǒng),并在其上對半色調(diào)算法進(jìn)行了并行優(yōu)化實(shí)現(xiàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)功能。通過對以上關(guān)鍵問題的研究,有效的提高了片上網(wǎng)絡(luò)多核系統(tǒng)在應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層上任務(wù)執(zhí)行效率,多種容錯措施的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性,對基于片上網(wǎng)絡(luò)多核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有實(shí)際指導(dǎo)意義。
[Abstract]:SoC (System on Chip) inter-core communication mode based on bus structure is facing more and more severe challenges in transmission rate, delay, scale expansion, global clock synchronization and so on. A new on-chip inter-core communication mode is urgently needed to solve these problems. NoC (Network on Chip) is proposed. Line communication mode is transformed into network layer and data packet switching mode, and the task execution (operation, storage) and data transmission communication are effectively separated, which is beneficial to reduce the complexity of system design; at the same time, compared with bus structure, NoC has obvious advantages in scalability, reusability, predictability, customization and so on. It is necessary to classify and study the key technologies of SoC. In addition, with the increasing integration of SoC, any module failure in SoC will affect the performance of the system, even lead to the failure of the whole SoC chip, and then stop the whole system. In order to increase the power consumption, throughput and average delay of the network-on-chip system, this paper makes a detailed study on the system task scheduling mapping, network topology, routing algorithm and other issues in combination with the composition and research status of the network-on-chip. The main contents and achievements of this paper are as follows: Task scheduling mapping, combined with the characteristics of task scheduling in network-on-chip system, designs the task model and communication core diagram model. The model can accurately calculate the operation of tasks under different allocation schemes. Cost, communication cost and migration cost provide detailed and accurate comparative data for scheduling algorithms. At the same time, according to the relative relationship between task size and the number of callable processing units, the task scheduling problem is divided into two categories: for the task size is relatively small, the task execution only calls part of it. In the case of physical unit, task partition scheduling and task mapping are performed separately; in the case of task requiring calling all processing units on the chip, the scheduling algorithm is implemented in one step. In terms of topology, the advantages of cellular network in data communication are analyzed according to the different communication requirements of different types of tasks, and a kind of cellular network-on-chip topology is designed. The whole topology structure rules, occupies less resources and is easy to use. The central location of the topology unit can be equipped with routing nodes to provide more links for communication-intensive tasks and reduce the probability of congestion. At the same time, a dual-port network interface (NI, Network Interface) is designed for processing units with high reliability, so that any processing unit has at least two paths and networks. When some routing nodes fail, they can switch to other communication paths quickly without reducing the performance of the whole system too much and improving the reliability of the system. Advantages, an adaptive fault-tolerant routing algorithm is designed for the topology of cellular-like network on chip. The algorithm guarantees that it can avoid the fault node or area well in the process of data transmission, and can sense the congestion on the transmission path in real time and adjust the transmission route dynamically. Based on SoCKit platform, a NoC system is built, and the halftone algorithm is optimized and implemented in parallel to verify the system functions. Through the study of the above key issues, the task execution efficiency of the network-on-chip multi-core system in application layer, network layer and physical layer is effectively improved, and the design of various fault-tolerant measures is enhanced. The reliability of the system has practical guiding significance for the design and application of multi-core system based on network on chip.
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN47

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本文編號：2219720