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片上网络(Network on Chip, NoC)是近年来提出的一种片上系统(System on Chip, SoC)通信瓶颈解决方案。与计算机网络不同,NoC设计中除了要考虑网络性能外还要考虑VLSI实现面积开销及功耗。交换结构是影响NoC性能,面积,功耗的重要因素。因此,交换结构设计成为NoC中的一项关键技术。本文介绍了NoC交换结构设计相关研究背景,主要包括NoC拓扑结构,NoC路由算法,NoC交换技术等。结合这些关键技术,并在充分研究NoC现有交换结构的基础上,提出了一种结构更简单,面积开销更少,功耗更低的二维(Two-Dimensional, 2D)交换结构。本文称之为虚输出队列(Virtual Output Queue, VOQ)交换结构。在2D 8×8 Mesh NoC平台下,仿真结果表明,当网络负载较低时,VOQ交换结构NoC比传统虚通道交换结构NoC具有更短的数据包平均延时。随着三维集成电路(Three-Dimensional Integrate Circuit, 3D IC)技术的发展,3D NoC交换结构设计成为NoC领域研究热点问题。本文针对3D NoC垂直传输通道延时比平面通道延时小的特点,结合2D NoC交换结构设计经验,提出了一种网络性能更好的3D NoC交换结构。所提出的交换结构中,数据包在垂直方向的交换和传输速率比水平方向高,因此称为双传输速率(Dual Flit Transmission Rate, DFTR)交换结构。在3D 4×4×4 Mesh和3D 2×2×8 Mesh NoC平台下,仿真结果表明DFTR NoC比3D虚通道NoC与3D VOQ NoC平均延时更短,吞吐率更高。NoC原型验证是为了在仿真分析的基础上更准确地评估NoC的性能,以更好的指导设计。在国家“863”计划“基于开放架构的多处理器阵列软件无线电实现”的支撑下,本文以Xilinx Virtex-4系列FPGA为平台,以Verilog HDL,Xilinx ISE等为开发工具,完成了基于2D VOQ交换结构的NoC原型设计与实现。验证了本文提出的2D VOQ交换结构的正确性和可实现性。