传统单核处理器受到功耗及制造工艺的限制,已无法通过提升主频来满足高性能嵌入式应用的需求。因此,学者们提出了片上多处理器系统的研究方向。与多处理器系统相比,片上多处理器系统将处理单元集成在单颗芯片中,减少了通信代价,降低了功耗,进一步提升了系统的整体性能。因此,片上多处理器系统是未来计算机发展的方向和必然趋势。随着研究的不断深入,越来越多的应用被映射到片上多处理器系统中,然而此过程所遇到的一些问题冲击了现有的系统架构,此类问题的核心是如何保证和提高系统的并行效率。为此,本文从通信机制、设计模型、路由算法、拓扑结构等关键领域,展开了深入的研究,并取得了如下创新性成果：(1)提出了一种双模式融合的通信机制。处理器间的通信机制是影响片上多处理器系统性能的关键因素,针对已有通信机制存在通信效率低的问题,提出了一种双模式融合通信机制。该机制根据处理器间交互数据的特征,将其划分为控制类消息和数据类消息,分别采用独立的通道完成传输。基于双模式融合通信机制,提出了复制-分治的任务并行化模型,通过预先对任务复制,减少运行时处理器问的调度开销。基于可重构平台,对双模式融合通信机制进行了实现,并以粒子滤波跟踪算法为例,进行了任务并行化设计。测试结果表明,双模式融合通信机制能够显著提升处理器间的数据交互能力,降低并行开销,提高系统整体的并行效率。(2)提出了一种多层次并行的设计模型。根据应用需求设计合理的系统架构及任务调度方式,是提高异构片上多处理器系统性能的关键。已有的设计模型虽然可以提高系统的并行性,但仍然没有摆脱宏观串行、局部并行的模式。针对以上问题,提出了一种多层次并行的设计模型。将异构系统的设计分解为系统级、事务级和语句级三个层次,通过逐层深入、逐步分解的方式挖掘任务的并行性,提高系统整体性能。以多层次并行模型为基础,基于可重构平台,设计并实现了AVI视频编码及存储系统。测试结果表明,多层次并行模型有效的解决了异构片上多处理器系统的设计问题,提高了系统并行效率。(3)提出了一种基于阻塞感知的局部自适应路由算法。已有路由算法对拓扑网络利用率低,数据包路由过程容易产生局部阻塞,针对此问题,提出了一种基于阻塞感知的局部白适应路由算法。该路由算法采取全局维序、局部自适应的规则,在路由节点间增加阻塞反馈信号,对邻近区域的网络状态进行监控,并能够根据实际情况动态调整路由路径。理论分析及仿真结果表明：该算法具有较高的数据吞吐率和较强的自适应能力。基于可重构平台,对本文提出的算法和XY路由算法进行了实现。对比测试表明,采用本文所提出的算法进行路由时,有多条最短路径可以选择,降低了单一链路的负载。同时,当网络出现阻塞时,可有效的绕过阻塞区域,提高系统的并行性。(4)提出了一种基于折半思想的拓扑结构。NoC型片上多处理器系统中,主节点与其它节点的数据交互频率要远高于普通节点间的交互频率,而目前的拓扑结构研究并没有面向这一特征进行优化设计。针对此问题,提出一种新型的拓扑结构Half-Mesh。该拓扑通过增加行、列头节点与普通节点间横向、纵向长连线,缩短了头节点与同维的中心节点间距离,继而减小了整个NoC网络的平均路径长度。针对Half-Mesh拓扑结构,提出了HTF-XY路由算法,采取分区路由策略,既缩短了不同区域内节点间的路径长度,又提升路由的自适应性。基于可重构平台,实现了网络规模为7×7的Half-Mesh拓扑结构及HTF-XY路由算法。测试结果表明,Half-Mesh拓扑结构提升了头节点与其它节点的交互能力,降低了整个片上网络的路由延迟,提高系统的并行性。