0000片上网络:一种新兴的片上系统设计方法

摘要：探讨了片上网络的发展状况和趋势，对比其他网络，

         总结了片上网络的优缺点，并着重

         分析了片上网络的拓扑结构、通信方式。

This paper introduces the evolution of networks on chip, summarizes the merits and demerits of NOC, and analyses the topological configuration, and the communication mode of NOC.

Key words:systems on chip; networks on chip; resources and routers; QoS(服务质量);power

1、片上网络是集成电路设计的全新设计方法。

2、片上网络（NOC）出现的驱动因素

（1）系统芯片上的IP模块之间的互连是系统芯片技术中最重要的问题。未来的系统芯片含有几十个甚至数百个IP模块，片上集成的晶体管数量会超过10亿支。因此开发如此复杂的系统芯片需要一种全新的互连体系。

（2）传统的单芯片多处理器普遍采用的共享总线存在着5种弊端：总线不可同时使用；总线频率降低；太多的功能组件和设备进一步加重了噪声；随特征尺寸的下降；连接延迟成为影响信号延迟的主要因素。

 3、片上网络的特点

（1）整合了一个类似于简化版网络模型的分层协议栈，而不同于传统开关电路采用的分组模式。

（2）高度的本地化以及可确定性。功耗和面积约束以及网络设计的特定性是片上网络NOC所特有的特征。

（3）设计的特定性是片上网络的另一个特征。

4、主要的片上网络研究领域

片上网络概念（NOC）包括片上网络体系结构、系统的通信服务、片上网络的设计方法和工具。

（1）片上网络的拓扑结构

　　片上网络包括资源（节点）和路由器。最常使用的结构网络时直接网络。

直接网络概念：

　　节点度：两相邻节点之间通道的数量。

　　直径：两个相邻节点间通路的最大长度。

　　规整性：是指片上网络中所有节点的节点度都相等。

　　对称性：指片上网络中每个节点的属性都相同。

片上网络拓扑结构的属性主要有节点数、开关数、开关度、直径、距离、网络复杂度、总带宽、对分带宽。

（2）片上网络的通信

每个节点都有唯一的地址，并且通过路由器连接到其他节点。片上网络采用分层协议的设计思想，分为六个层：

　　1）物理层：进行节点数量和路由器数量，节点间的互连结构，电气特性等物理实现。

　　2）数据链路层：加入标准错误检测码的数据包在节点之间或节点路由器之间传送，以解决物理层信号受噪音干扰而不可靠的问题。

　　3）网络层：主要是数据包如何转发即路由算法。在每个中间节点，路由算法指出下一步要使用的通道。路由算法要考虑网络的连通性、自适应性、死锁、活锁的可能性及容错问题。

　　4）传输层：发送节点负责将传输层消息分解，并建立数据包，送入网络层中，接收节点从数据包中获取信息。

　　5）系统层：主要是系统软件

　　6）应用层：主要是应用软件

（3）片上网络的功耗

   利用最小的功耗满足服务质量。

（4）片上网络的服务质量QoS

 片上网络的路由决策，对关键部位的网络带宽或延迟进行保证，没有被保证的通信采用尽力而为的路由策略。为保证可靠传输，当遇到数据错误时，需要进行重传。片上网络通过流控机制保证服务质量。

5、总结

随着半导体及集成电路飞速发展，片上系统功能越来越完善。传统片上系统设计方法面临诸如复杂性、可靠性、有效性问题。片上网络在不可靠信号传输和线路延迟的限制下，实现以最小能量消耗充分满足服务质量需求，并提供高性能和高可靠性保证。目前，片上网络不会完全取代共享总线技术，但其先进的设计方法和理念必将引发微电子领域的又一次革命。