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片上网络(Network-on-Chip,NoC)是片上多核互连通信的有效解决方案,提高了多核系统的扩展性和通信带宽。然而,随着工艺的发展,芯片集成的核心数目不断增加,平面NoC结构的网络延迟和吞吐性能不断变差。为了克服传统平面结构的通信瓶颈,研究人员提出了层次化互连NoC,通过增加上层路由平面,提供更丰富的传输路径和网络资源,使之更适合大规模网络通信。目前层次化NoC结构设计存在以下三方面的问题:(1)层次化结构在不同网络尺寸下设计不灵活、层间流量不均衡;(2)面向性能优化时,层次化结构的优化探索问题;(3)由于增加了多层网络资源,层次化结构的开销准确评估问题。本文针对以上问题,分别从层次化NoC的结构设计、结构优化以及结构开销评估三个方面对层次化NoC结构进行了研究。论文的主要研究工作如下:e1、针对现有层次化NoC在不同节点规模下设计不灵活、层间流量不均衡的问题,提出了一种基于参数分簇的层次化片上网络结构设计方法(PHNoC)。采用2x2与4x4的Mesh分簇作为各层互连单元,通过参数设定各层的分簇尺寸和层间链路数量,实现不同节点规模下结构的灵活设计;同时设计了可实现层间流控的无死锁路由算法,采用跨层流控参数实现层间的流量控制。PHNoC结构使得网络延时和吞吐性能显著提升,在较大规模256节点时,非均匀流量模式下,PHNoC的结构相比2Dmesh结构延时降低18.76%,吞吐提升18.57%。2、现有层次化NoC多为经验结构,为了有效探索层次化NoC结构设计空间,面向低延时的目标,提出一种面向时延的层次化Mesh NoC结构优化算法(LAHNS)。首先基于PHNoC建立了层次化结构的参数模型,基于此模型和流量概率分布建立了网络端到端延时解析模型,作为优化的目标函数,最后通过模拟退火算法进行优化,快速搜索得到设计空间中延时最优的结构参数组合。实验表明,延时解析模型准确度可达98%以上,在均匀和非均匀流量模式下,优化算法可有效降低层次化Mesh NoC延时,且系统规模越大效果越明显。3、针对采用传统分析方法评估层次化NoC面积开销不精确的问题,提出基于路由节点度分类的层次化Mesh互连结构面积开销评估模型(NDCB)。根据路由节点度与路由位置相关的特点,分别建立了路由、链路统计模型;进而利用业界芯片面积开销模型——Orion,获得精确的网络面积开销模型。实验和ISE综合结果表明,相比传统计算方法,NDCB模型具有较好的准确性;此外,两层的Mesh结构资源在256节点内增加10%,而三层时增加20%,因此在层次化NoC设计时必须考虑资源和性能的折中。