一種高效網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)

摘 要： 為了得到比傳統(tǒng)片上網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源接口（NI）更高的數(shù)據(jù)傳輸效率和更加穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸效果，提出了一種新的高效網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)方法，并采用Verilog HDL語言對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了高效傳輸功能，同時(shí)又滿足核內(nèi)路由的設(shè)計(jì)要求。最終通過仿真軟件Xilinx ISE Design Suite 12.3和ModelSim SE 6.2b得到了滿足設(shè)計(jì)要求的仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 片上網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)資源接口； 核內(nèi)路由； Verilog HDL

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）10?0059?03

0 引 言

隨著納米時(shí)代的到來，集成電路工藝不斷的發(fā)展，特別是VISI設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，系統(tǒng)級(jí)芯片的設(shè)計(jì)迎來了巨大的挑戰(zhàn)，而這個(gè)挑戰(zhàn)的的關(guān)鍵就是怎么樣實(shí)現(xiàn)更高的通信效率。這個(gè)問題的出現(xiàn)也預(yù)示著多核技術(shù)時(shí)代的到臨。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，人們提出了片上網(wǎng)絡(luò)（Network on Chip，NoC）的概念。片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）移植了網(wǎng)絡(luò)通信的方式，進(jìn)而來解決多核時(shí)代的IP核互聯(lián)通信的問題。由于片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）具有優(yōu)秀的可擴(kuò)展性和相對(duì)較好的功耗效率，目前已經(jīng)被大多數(shù)人認(rèn)為是解決當(dāng)前甚至未來芯片設(shè)計(jì)中關(guān)于通信問題的最重要的技術(shù)之一。

1 NoC簡介

圖1為傳統(tǒng)2D?MESH結(jié)構(gòu)的NoC示意圖。圖中明顯可以看出片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）主要由4部分組成：資源節(jié)點(diǎn)（IP核）、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)接口NI（Network Interface）和全局鏈路。其中網(wǎng)絡(luò)接口NI就是連接IP核與通信網(wǎng)絡(luò)的橋梁，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)接口NI的設(shè)計(jì)也是片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）設(shè)計(jì)技術(shù)中重要的一環(huán)。

2 通用網(wǎng)絡(luò)接口NI的結(jié)構(gòu)及模塊功能

網(wǎng)絡(luò)接口的作用主要基于網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于信息包信息的傳輸，并且將其轉(zhuǎn)換成資源模塊可用的形式。它的主要功能包括3個(gè)方面：提取關(guān)于IP核與網(wǎng)絡(luò)之間的通信協(xié)議；支持任何IP核與網(wǎng)絡(luò)接口連接；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和解包。

當(dāng)數(shù)據(jù)在NoC中傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口將主IP核中的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并進(jìn)行校驗(yàn)，然后將其傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，最后由目的IP核的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行解包，校驗(yàn)進(jìn)入到目的IP核中。圖2是通用網(wǎng)絡(luò)接口的結(jié)構(gòu)模塊圖[3]，如圖2所示其主要由通用核接口、數(shù)據(jù)打包單元、數(shù)據(jù)解包單元、存儲(chǔ)單元和異步FIFO構(gòu)成。數(shù)據(jù)打包單元主要將來自IP核的信息進(jìn)行打包，其首先將信息轉(zhuǎn)換成流控單元（flit），然后在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，其主要由包頭編碼單元，數(shù)據(jù)處理單元和FIFO控制單元構(gòu)成。而解包單元主要是將數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換，滿足目的IP核所需要的數(shù)據(jù)形式。數(shù)據(jù)打包單元和數(shù)據(jù)解包單元共享網(wǎng)絡(luò)接口中的存儲(chǔ)單元，這樣做主要是易于鏈接不同模塊。

3 高效網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

當(dāng)原始數(shù)據(jù)從IP核傳輸?shù)奖揪W(wǎng)絡(luò)接口，首先由數(shù)據(jù)接收模塊將原始數(shù)據(jù)打包，并將其分為多個(gè)片（flit）[6]。通常數(shù)據(jù)包被分為：Head flit，Date1 flit，Date2 flit，Tail flit等4部分[7]，而本網(wǎng)絡(luò)接口將其壓縮為Head flit，Date1 flit，Date2 and control flit三部分，主要是將Tail flit壓縮到傳統(tǒng)Data2 flit中，因?yàn)門ail flit中只含有一個(gè)完成控制信號(hào)，所以將其合并到最后一個(gè)數(shù)據(jù)片上，通過寄存器控制模塊控制發(fā)送，通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)接口，由其將接受到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包，滿足目的IP核的需求，同時(shí)傳輸?shù)侥康腎P核。由于本網(wǎng)絡(luò)接口也可以嵌入到IP核中，因此可以提前將Head flit發(fā)送出去，使Head flit的發(fā)送與數(shù)據(jù)打包并行處理。這樣就加速了數(shù)據(jù)的傳輸速率。

3.2 數(shù)據(jù)接收模塊的設(shè)計(jì)

3.3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)

3.4 寄存器控制組模塊的設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口主要是針對(duì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高，對(duì)傳輸效果穩(wěn)定性要求較高的NoC體系。通過實(shí)驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)此網(wǎng)絡(luò)接口具有較強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)與今后核內(nèi)路由的研究具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] RADULESCU A， DIELISSEN J， PESTANA S G， et a1. An efficient on?chip NI offering guaranteed services， shared?memory abstraction and flexible network configuration [J].IEEE Transactions on Computer?aided Design of Integrated Circuits and Systems， 2005， 24（1）： 4?17.

[2] BERTOZZI D， BENINI L. XpIPes： a network?on?chip architecture for Gigascale systems?on?chip [J]. IEEE Circuits and Systems Magazine， 2004， 4（2）： 18?31.

[3] SINGH Sanjay Pratap. Modeling and analysis of router architectures and network interface architecture for network on chip [D]. Dallas， USA： The University of Texas， 2006.

[4] 張楠.高效的片上網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：核內(nèi)路由[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[5] 劉勇.MPsoc通信互聯(lián)技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[6] 歐陽一鳴，倪晉照，劉炎炎.一種更可靠的資源網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)[C]//第六屆中國測(cè)試學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（CTC2010）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：73?75.

[7] DALLY W J， TOWLES B. Route packets， not wires： on?chipinterconnection Networks [C]// Proceedings of the 38th Conference on Design Automation. [S.l.]： CDA， 2001： 684?689.

[8] SALMINEN E ， KULMALA A. HML Inen TD survey of network?on?chip proposals [J]. White Paper， OCP2IP， 2008 （3）： 1?12.

[9] 山蕊，蔣林，李平.一種通用片上網(wǎng)絡(luò)適配器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，28（3）：27?29.

[10] 岳培培，陳杰，劉建.用于片上網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2009，35（10）：9?12.