基于SystemC的片上網絡仿真實驗研究

任勝兵,潘震宇,盧 念,張萬利

(1.中南大學 軟件學院,湖南 長沙 410075;2.中南大學 信息科學與工程學院,湖南 長沙 410083)

0 概述

芯片制造工藝飛速發展,芯片上元件的集成度也越來越高,片上系統SoC的結構日益復雜。為了獲得更高性能的SoC,采用點到點專用的或分布式的片上網絡NoC(Network on Chip)成為可替代片上共享總線系統的新型解決方案。

在嵌入式系統多核課題中,目前NoC技術成為解決SoC互聯問題的研究熱點,關于NoC的研究主要集中在任務映射和路由器等[1]。軟件模擬和綜合成硬件是NoC領域主流的分析方法[2]。考慮到教學實驗和創新研究的通用性和靈活性等特點,綜合定制芯片原型無助于由淺入深地理解NoC的體系結構,且因其特性固定故不適合進行靈活地實驗,再者原型實際測量工作很復雜,教學實驗并不適合采用綜合芯片原型的方法。軟件建模和模擬方法對于設計流程、模塊集成和NoC概念的驗證相當重要。在設計NoC時,有一個具備分析處理單元、片上互聯等性能參數的仿真實驗平臺,對研究NoC的實驗教學以及創新設計有重要意義。

本文以NIRGAM[3]模擬器作為NoC仿真實驗平臺,因其開源、文檔豐富、支持完善和程序穩定可靠等優點,且基于SystemC開發便于未來進行軟硬件協同設計和驗證。

1 NoC的架構分析

本文所研究的NoC體系結構通常由路由節點、網絡接口以及處理單元三種基本要素構成[5],如圖1所示。

圖1 NoC基本結構

1)路由節點實際上相當于計算機網絡中的交換機,它的功能是保障數據能夠成功地到達目的地。以較流行的2D MESH NoC拓撲結構為例,一個路由節點擁有4個方向端口,分別與鄰居節點的對應方向端口通過物理鏈路相連,還有1個本地端口與本地處理單元保持連接。路由節點根據路由算法選擇端口做下一步轉發。路由算法的優劣不僅對傳輸時延,還對網絡能耗和容錯能力產生影響。

2)網絡接口起到了數據連接和轉換的功能。

3)處理單元實際上是任何異構的IP核,如微處理器核、DSP核、微控制器核、存儲器核或I/O設備控制器核等,也可以是SoC中各個任務進程的抽象化,分為發送器、接收器和加工器三大類[6]。

2 基于SystemC的NoC實驗平臺

SystemC是由OSCI(the Open SystemC Initiative)開發的統一建模平臺,為系統設計提供了統一的語言以便更好地進行軟硬件協同設計和驗證。它在C++基礎上添加一個SystemC類庫。類庫是采用C++編寫的各種函數和數據類型等的程序庫,將并發、時鐘和特殊數據類型等硬件描述概念引入C++,使其能夠對硬件進行建模描述。

基于SystemC的NoC仿真實驗平臺主要有三個:Noxim、NIRGAM 和NNSE。

1)Noxim由意大利卡塔尼亞大學的計算機體系結構團隊開發和維護。Noxim以命令行形式對模擬器中NoC的拓撲、緩沖區、數據大小分布、路由算法、交換算法、數據注入率、流量類型和分布進行配置,以吞吐量、時延和能耗作為性能參考。

2)NIRGAM由英國南安普頓大學電子與計算機科學院電子系統設計團隊和印度Jaipur Malaviya國家技術研究所計算機科學與工程系聯合開發。NIRGAM是一個模塊化設計,可擴展的NoC模擬器,能夠對拓撲、虛通道、緩沖區、路由算法以及IP核進行配置,可以方便地對模擬器進行擴展,如新的IP核和路由算法,以平均時延和吞吐量作為性能參考。

3)NNSE由瑞典皇家技術研究所電子、計算機和軟件系統系研究開發。NNSE支持AXI,屬性配置以XM L形式對拓撲、流控機制、路由算法及流量類型等進行配置,以時延和吞吐量作為性能參考。

3 NIRGAM仿真實驗平臺教學實驗

NIRGAM仿真實驗平臺的核心引擎從配置文件nirgam.config中獲取模擬器配置,從配置文件application.config中獲取任務映射結構,然后按此構建NoC實驗平臺并全局控制仿真工作。NIRGAM仿真結束后,將期間采集到的信息進行統計并保存成文件,以供導出分析和繪制 Matlab或gnuplot圖表。

圖2 NIRGAM仿真實驗平臺架構[3]

學生通過對NIRGAM模擬器的解析,可以較直觀地從不同層面上理解NoC體系結構及其基本的通信機制,并通過親自動手配置模擬器的參數來加深對概念的消化理解。在此基礎之上對NoC課題展開多方面的興趣研究。以下介紹兩個典型的實驗,分別對處理單元和路由算法的設計做了簡單的實現和分析,以此表明利用NIRGAM模擬器對NoC的教學研究具有可行性。

3.1 NIRGAM處理單元設計實驗

羅丹提出將流量生成機制與注入機制封裝在一個處理單元內部,可以在不影響處理單元內其他模塊時,僅改變流量生成機制以此改變資源子網向通信子網發送的數據特征,全面地評估NoC性能[7]。

本文構建了一組處理單元不是代表某種抽象的流量類型,而是代表JPEG編碼過程中各個任務,協作完成JPEG基本的編碼功能。其中節點上的IP核分別代表一個任務進程。NIRGAM允許將IP核動態的與任何節點綁定。如果沒有綁定任何IP核,那該節點只作為一個路由節點。處理單元設計實質上是繼承基礎IP核模塊上的方法為自己創造新的IP核,甚至對基礎IP核做修改。

1)JPEG編碼器任務進程IP核設計

據JPEG編碼原理[8],參考進程網絡模型[9]理論,編碼過程被分解成5個獨立的進程,依次是位圖輸入、FDCT(Forward Discrete Cosine Transform)、量化、Z字形變換和哈夫曼編碼輸出,如圖3所示。根據這5個任務,在IP核模塊中加入實現相應任務的函數,使得觸發recv進程時調用函數處理數據包,處理完畢的同時觸發send進程將新數據包送回網絡中,傳遞給下游任務。

圖3 JPEG編碼器進程網絡模型

2)JPEG編碼器任務映射

本實驗以3x3的2D MESH為NoC拓撲結構,采用分組交換機制、蟲洞式流控機制和XY路由算法。以微片作為最小數據單元,每個數據包由64個微片組成。如圖4所示JPEG編碼器任務進程在NoC上映射拓撲結構圖。其中黑色箭頭表示按照XY路由算法的數據流軌跡。各IP核由NIRGAM通過文件application.config分別與節點0,1,2,6,8綁定。

3)實驗與分析

圖4 JPEG編碼器任務映射圖

本實驗工作頻率1 GHz,共運行200000個周期。仿真結束生成.m文件,由Matlab運行得到此次仿真中所統計各個通道的吞吐量,如圖5所示。

圖5 JPEG編碼任務吞吐量

通過節點間的數據通信和上下游任務進程間的相互協作,最終由節點BmpInput輸入的位圖圖像經過NoC的一系列處理流程,在節點JPGOutput成功生成了JPEG編碼壓縮后的圖像。但由圖可知這5個任務的負載是不均衡的,其中數據都是從BmpInput節點注入,所以該處的端口吞吐量非常大,且產生了較大的發送時延。其他模塊邊接收,邊處理,邊發送,及時將數據送出,緩解了輸入和輸出通道的擁塞。該實驗采用XY確定性維序路由算法,是2D MESH下最高效最簡單的確定性路由算法,但不會根據網絡的擁塞狀況均衡負載。參考圖5的反饋的信息,我們可以對IP核在拓撲上的布局做優化,使得負載更均勻,避免網絡局部擁塞,提高網絡整體的資源利用率。

學生通過NIRGAM處理單元設計實驗,可以理解軟IP核的構造以及NoC節點的通信機制,并切身體會到NoC如何組織和協調各個節點的任務進程,最終實現一個具體的應用。同時NIRGAM以其結果直觀靈活的優點,便于學生縮短對任務映射方案調試和修正的周期,提高實驗效率。

3.2 NIRGAM路由器設計實驗

越智能的路由節點,其硬件邏輯越復雜,功耗也越大。針對NIRGAM的路由算法擴展可以直接使用模擬器所提供的API(Application Program Interface)。復雜度更高更智能的路由算法,甚至需要對NIRGAM的核心引擎進行修改,如輸入和輸出通道等,這是因為路由機制的設計與網絡整體的架構以及其他機制息息相關,如交換和流控機制。

1)XYYX路由算法設計

本文以文獻[4]提出的基于Turn Model的XY增強型XYYX路由算法為例,進行路由算法的設計實驗。為了更好地理解,我們把2D MESH NoC拓撲結構的四邊依次標記為北、東、南和西。該算法對當前節點與目的地節點的相對位置分作兩種情況考慮。當當前節點位于目的地節點的南方時,使用YX路由算法思想,那么總是從 Y維度開始路由;在當前節點位于目的地節點的北方時,使用XY路由算法思想,那么總是從X維度開始路由。因此當處在一個均勻概率隨機目的通信的情況下,相對XY路由算法,X維度的負載被均分給了X與Y兩個維度,達到了減輕X維度擁塞的目的。

圖6 XYYX路由軌跡示意

如圖6所示XYYX路由算法數據流軌跡圖。該增強型XYYX算法的特點是改善了XY路由算法在X維度上的擁塞情況,算法思想巧妙但不復雜,可以直接利用API的calc_next函數進行設計。

2)實驗與分析

本實驗以4x4的2D MESH為NoC拓撲結構(圖6),采用分組交換機制、蟲洞式流控機制和XYYX路由算法。以微片作為最小數據單元,每個數據包由3個微片組成,分別是頭片、數據片和尾片。本實驗工作頻率為1 GHz,共運行1000個周期,其中從第5個周期開始生成流量,到第300個周期時停止生成流量。實驗通過轉置流量模式分別對XY和XYYX路由算法進行了時延的分析和比較,如圖7和圖8所示。轉置流量模式是指X維度與Y維序互換的一對節點之間互為源節點和目的地節點,相互朝對方發送數據。

圖7 XY路由算法網絡平均時延

圖8 XYYX路由算法網絡平均時延

圖7所示采用XY路由算法后,網絡所統計到的在各個方向通道上的數據包時延。我們可以觀察到在整個網絡中時延很大的都是東西方向通道,這正是XY路由算法總是從東西方向開始路由所致。

圖8所示改用XYYX路由算法后,網絡所統計到的在各個方向通道上的數據時延。我們可觀察到在時延很大的通道中,西向和北向各占50%,也就是說X與Y維度共同承擔了以前僅由X維度承擔的負載。可見XYYX路由算法起到了均衡X與Y維度負載的能力。我們根據圖7和圖8的反饋信息,可以直觀看到XYYX路由算法的改進優勢。

學生通過XYYX路由算法設計實驗,可以從中理解,路由算法在網絡流量中所起到的協調作用。由于NIRGAM模擬器反應迅速,便于學生在路由算法之間做對比實驗。

4 結語

在多核課題中,NoC成為解決SoC互聯問題的研究熱點。本文以免費開源的NIRGAM模擬器為例,實現了基于NoC架構的JPEG編碼器和XYYX路由算法。實驗中分析的基于SystemC的NIRGAM仿真實驗平臺擁有靈活的擴展能力,滿足了NoC教學實驗研究的需要,也為開展NoC設計與創新提供了支持。實驗平臺皆采用軟件方式模擬NoC的行為,能對配置和設計做出快速反應,有效地縮短了NoC設計和驗證的周期,基于SystemC的NIRGAM仿真實驗平臺。

[1] Tobias Bjerregaard,Shankar Mahadevan.A survey of Research and Practices of Network-on-Chip[J].Lyngby:ACM Computing Surveys(CSU R),2006,38(1):1-51.

[2] Erno Salminen.On network-on-chip comparison[J].Tampere:Digital System Design Architectures,Methods and T ools,2007:503-510.

[3] Lavina Jain.NIRGAM.http://nirgam.ecs.soton.ac.uk

[4] 歐陽一鳴,董少周,梁華國.基于2D M esh的NoC路由算法設計與仿真[J].合肥:計算機工程,2009,35(22):227-235.

[5] William J Dally.Principles and practices of interconnection networks[M].California:M organ Kaufmann Publishers,2004:1-42.

[6] S.Kubisch.E-Core-A Configurable IP Core for Applicationspecific NoC Performance Evaluation[J].Anaheim:DAC Workshop on Diagnostic Services in Network-on-Chips,2007.

[7] 羅丹,吳寧.基于OCP接口的片上網絡性能評估平臺[J].南京:中國集成電路,2010,19(8):45-50.

[8] Chung-Jr Lian,Liang-Gee Chen,Hao-Chieh Chang,Yung-Chi Chang.Design and Implementation of JPEG Encoder IP Core[J].Yokohama:Design Automation Conference,2001:29-30.

[9] Yongjin Ahn.Process Network M odeling and TLM Generation for H.264 Codec Design[R].Irvine:Center for Embedded Computer Sy stems,2008.