片上网络(Network on Chip,NoC)是进一步提升传统片上多处理器系统(MPSoC)通信效率的重要手段,但随着片上集成的处理单元数量的增加,NoC中节点的密度与距离限制了性能的提升,为此研究人员提出了层次化NoC互连结构。本文主要针对层次化NoC拓扑结构与路由算法相关技术展开研究。本文在深入分析现有层次化NoC技术的基础上,为了进一步提高层次化NoC顶层网络的通信效率,提出了一种基于顶层网络对角化的层次化NoC拓扑结构;针对层次化NoC网络中继路由节点数量过多导致的网络延迟增加的问题,提出了一种混合Ring-Torus层次化NoC拓扑结构;针对层次化NoC中确定性最短路由算法负载均衡较差的问题,提出了一种基于虚通道分配的混合自适应路由算法。论文的具体研究工作如下:为了进一步提高分层式层次化NoC顶层网络的通信效率,提出了一种基于顶层网络对角化的层次化NoC互连结构——HDMesh结构。结构采用分层网络设计,底层采用Mesh结构互连,负责临近节点通信,顶层网络在Mesh结构的基础上增加两条对角链路,引入的对角链路为Mesh网络中距离较远的节点对之间提供了快速通道,进一步降低延迟。实验仿真表明,在16点与64点规模网络下,HDMesh结构的延迟低于对比的Mesh和CHMesh结构,且在较大规模网络中优势更明显。针对层次化NoC网络中继路由节点数量过多导致的网络延迟增加的问题,提出了一种混合Ring-Torus(RT)拓扑结构。RT结构采用分簇式连接方式,融合了环形结构和Torus结构的特点,结构中不设单独的中继路由节点,每个路由器结构完全相同,由三个通信端口构成,包括两个本地端口一个全局端口,有效降低了数据包在网络中传输的跳数。通过仿真验证,在16点以及64点规模网络的综合流量模式下,RT结构延迟低于Mesh和tNoC结构,仅在16点网络Rent流量模式下延迟高于tNoC结构。针对层次化NoC中确定性最短路由算法负载均衡性较差的问题,提出了一种基于虚通道分配的混合自适应路由算法——HAR算法。算法分为自适应路由和确定性路由两个阶段,整个路由过程分别为自适应和确定性阶段分配不同类型的虚通道,并严格按照虚通道下标降序路由,保证了算法的无死锁性。通过实验仿真验证,在综合流量模式与Rent流量模式下,HAR算法相比确定性路由算法的饱和吞吐量最高分别提高43.2%和6.2%。