随着集成电路工艺技术的发展,单片上集成度的增加、器件和布线尺寸的缩小以及通信量的增大的成为了当前芯片设计的趋势,片上系统(SoC)为高复杂度芯片提供了解决方案。然而随着芯片上器件数量的进一步增加和工艺尺寸的进一步下降,共享总线的互连结构给SoC通信带来了瓶颈。为解决这些问题,片上网络(NoC)将计算机网络移植到了集成电路领域,使片上资源之间以路由和分组交换的方式通过独立网络实现连接,并以数据包的形式完成通信。针对NoC的软硬件协同设计特点,近年来软件定义片上网络(SDNoC)又在计算与通信分离的基础上分离了NoC的控制逻辑与数据传输。研究表明NoC的通信网络具备更强的并行性、可扩展性和可复用性,起到了克服高集成度芯片通信瓶颈的作用。在影响NoC的所有关键技术中,路由算法决定了数据包在网络上传输的路径。数据包在通信过程中缓解拥塞、均衡网络负载的能力,以及NoC的延迟与吞吐率性能均取决于路由算法的灵活性;因此,高效的路由算法是NoC的主要设计目标。自适应路由算法能够为数据包提供了多条候选路径合理的选择策略,更接近于绕开重拥塞区域的低负载传输目标。本文以奇偶转向模型(OE turn model)为例,分析了路由算法对自适应性的和拥塞信息的需求,提出了用仲裁器和远程拥塞预测提高路由灵活性的方案;并在SDNoC结构上通过对软件的控制,研究确定性、拥塞无关和拥塞相关路由算法对网络性能的影响。主要的研究内容和研究成果有:(1)分析了总线SoC对于带宽比的需求,结合固定优先级、轮询和彩票三种仲裁器的优势以及双层仲裁思想,从避免死循环、提高仲裁准确性出发,提出了一种能够根据系统需要、按照目的带宽比赋权主模块的双层可重构仲裁器。对仲裁器的C/C++仿真结果表明,双层可重构仲裁器赋权的比例与目的带宽比高度吻合。(2)针对路由函数允许多个候选输出方向、需要选择策略才能决定数据传输路径的情形,将均衡网络负载作为NoC仲裁器的首要设计目标;因此,对于NoC仲裁器,公平性取代带宽比成为了最重要的性能需求。本文借鉴了固定优先级仲裁器赋权的原理,设计了一种将优先级顺序由固定改为按照指针轮转的公平仲裁器,即可变优先级仲裁器APA。基于System C的仿真结果表明,可变优先级仲裁器能够比轮询仲裁器更均等的赋权所有请求,是一种公平性很强的仲裁器。(3)将公平的可变优先级仲裁器作为OE转向模型的选择策略,设计了一种拥塞无关的自适应路由算法OE-FA。对于网络中多个候选方向都被OE转向模型允许的节点,OE-FA路由器将这些允许的方向视作请求,将APA赋权的结果作为数据包最终的输出,提升了候选路径的数量,也获得了更佳的负载均衡性。基于Noxim平台的仿真结果和基于SMIC 0.13μm CMOS工艺的验证结果表明,OE-FA路由算法以较小的硬件开销为代价,明显的改善了OE转向模型的网络性能。(4)将公平仲裁的应用领域从所有的候选方向,调整为拥塞程度相同的候选输出,设计了一种拥塞感知的自适应路由算法CAOE-FA。CAOE-FA的选择策略将下游路由器上的拥塞程度,即输入缓存被占用的比例视作决定输出的首要依据;对于拥塞相同的候选方向,由APA的赋权结果作为最终输出。CAOE-FA可以使相同拥塞的下游路由器以等概率的接收数据,从而均衡网络负载。基于Noxim平台的仿真结果和基于SMIC 0.13μm CMOS工艺的验证结果表明,尽管感知拥塞的过程会增加路由器上的延迟和功耗,但CAOE-FA对网络拥塞的缓解作用很明显,以可接受的硬件开销为代价显著的降低了网络延迟,提高了网络吞吐率。(5)设计了一种能预测远程拥塞的自适应路由算法LDCAP。在下一跳之外的网络上,远程拥塞程度也能影响着NoC的传输压力;因此,单一的本地拥塞信息很难全面的描述候选方向上面临的负载状态。本文提出的LDCAP在数据包离开候选的相邻路由之后,研究了所有可能传输路径的集合,使用数据沿该候选方向到达目的节点所需的跳数来预测潜在远程拥塞的程度。在确定LDCAP描述拥塞的指标时,通过合理的组合权重,远程与本地的拥塞将被结合起来;由此可见,LDCAP的预测方案不仅有效的缓解了拥塞和非均衡负载,还为远程拥塞省去了传输网络和复杂的计算。基于Noxim平台的仿真结果和基于SMIC 0.13μm CMOS工艺的验证结果表明,LDCAP具备良好的网络性能和较低的硬件开销。