● 摘要
随着集成电路制造工艺的快速进步，单个芯片中集成的内核数目不断增多，内核间通信机制成为多核（Multi-Core）芯片设计面临的重要挑战之一。片上网络（Network-on-Chip，NoC）是一种面向多核芯片设计的新兴片上互连机制，借鉴了传统的并行计算机网络中的实现技术；同时，NoC与传统网络的设计方法学和实现特点都具有显著的差异，因此难以利用传统的辅助设计工具实现细粒度的体系结构设计与优化。本文提出了适用于细粒度设计空间搜索的NoC辅助设计工具，包括：NoCSim和PRANCE。其中，NoCSim面向NoC综合流程中的仿真阶段，其核心是利用SystemC设计的网络组件库，支持周期级NoC体系结构模型，以及行为级应用模型和随机流量模型；PRANCE面向NoC综合流程中的原型设计阶段，实现为基于Verilog设计的寄存器传输级（Register-Transfer-Level，RTL）路由器软核。NoCSim和PRANCE都提供了参数化的设计手段和丰富的配置参数，以及开放式的体系结构和良好的可扩展性。二者可以根据用户定义的网络模型生成可执行的NoC仿真器和可综合的路由器实例，用于评估NoC和路由器的实现结果，以及优化NoC的主要设计参数。另外，本文利用上述工具研究了片上虫孔（Wormhole）交换网络中的链路调度机制，并且提出了逆向锚点轮转（Reverse Anchored Round Robin，RARR）调度算法。该算法结合了逐个微片轮转（Flit-by-Flit Round Robin，FFRR）调度算法和逐个报文轮转（Packet-by-Packet Round Robin，FFRR）调度算法的特点，利用锚点同步虫孔交换网络中的报文转发流水线，并且提供了有效的锚点调度机制。本文的主要贡献在于：①根据行为级应用模型和NoC仿真器的设计与实现特点，提出了一种高效的应用建模技术；使设计人员不必完全按照复杂的消息传递模型（Message-Passing）开发目标应用程序，而可以采用比较简单的共享存储器（Shared-Memory）编程模型，以及参数化的通信任务建模方法。该技术不但可以有效的提高行为级应用建模的效率，而且有利于重用各类基于程序库设计的领域专用语言（Domain-Specific Language，DSL）。②提出了一种基于流水线设计、支持虚通道（Virtual-Channel）流控技术的虫孔路由器体系结构；以经典的四级流水线路由器体系结构为基础，分解了其中最长的、实现虚通道调度任务的流水段，从而提高了路由器的流水线级数（五级）和最大工作频率。综合与仿真结果表明，五级流水线设计符合NoC设计与实现的特点，并且能够有效的改善网络中的报文转发延迟和网络的吞吐率。③提出了两种高性能的轮转（Round-Robin）仲裁器体系结构；二者分别适用于五级流水线设计中的虚通道调度环节和间隔（非连续）仲裁机制，或者五级流水线设计中的交换结构调度环节和连续仲裁机制，后者包括其他传统（三级、四级）流水线设计方式对应的虚通道和交换结构调度环节；上述仲裁器设计可以通过缩短虚通道路由器中关键的仲裁和调度延迟进一步提高了路由器的性能。综合结果表明，本文提出的两种仲裁器与传统仲裁器的实现成本相当，并且能够获得更高的仲裁性能。④根据虫孔交换技术和片上通信流量的特点，提出了一种适用于虫孔交换网络的轮转链路调度算法；缓解了报文转发流水线和分布式链路调度组件间的同步问题，并且消除了传统锚点调度机制中存在的盲目性。仿真结果表明，上述链路调度算法在报文较长和网络负载较重的情况下能够显著的降低平均报文转发延迟。