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1、中国计算机辅助设计与图形学2 0 0 扩j 纪念全国首届C A D C G 学术会议3 0 周年 基于2 R T o r u s 结构的片上网络设计与仿真 王冬1 张丽杲1 ，2 桂慧敏1 韩俊剐u 1 ( 西安邮电学院A S I C 设计中心陕西西安7 1 0 1 2 1 ) 2 ( 西安电子科技大学微电子学院陕西西安7 1 0 0 7 1 ) 摘要为了减少多：迩理器片上系统的面积和功耗，支耪可靠的数据传输，提交了片上网络( N o C ) 这种理想砖楚理方案本文 首先对重建的2 R T o r u s 拓扑结构在N o C 中的应用做了分析，谊结构在T o r u s 鲒构上又增加了一个环
2、路，用来单独传递控制信息 再对最短路径算法在N o C 中的应用做了描述全网由一个全局中心控制节点( C C N ) 节点进行集中式管理最后，用O P N E T 对网 络进行仿真仿真结果表明该结构可以避免死锁和拥塞，与理论分析结果一致 关键宇片上网络；2 R - T o r u s ；中心控刳节点：最短路径 D e s i g na n dS i m u l a t i o no n2 R - T o r u s - - B a s e d f o rN e t w o r k - o n C h i p W a n gD o a g lZ h a n gL i g u 0 1 2 D uH
3、 u i m i n lH a n J u n g a n 9 1 2 L p 嘶pC e n t e ro f A S I C ，蛐I n s t i t u t eo f l o ma n dT e l e o o m m u m c a o m , X i 吼7 1 0 0 6 1C 枷) 2 ( S c h o o lo f m i c r o e l e c t r o n i c s 。X i d i a nt m v c r s i t y , X i 匝7 1 0 0 7 1C h i n a ) A b s t r a c tI no r d e rt or e d u c
4、et h ea r e aa n dp o w e rc o n s u m p t i o no np r 仪麟O 璐a n dt op r o v i d es c a l a b l ea n dr e l i a b l ed a t at r a n s p o r t , n e t w o r k - o n c h i p 磷o c ) a r c h i 妣虹r e s 矾b e l i e v e dt ob et h ei d e a ls o l u t i o n kt h i sp a p e r ，ar e c o n f i g u r a b 3 _ e2 R
5、 - T o r u st o p o l o g yw h i c h a p p l i e di nN o Cw a sa n a J e df i r s t l y W ea d d e dan c wl o o pw h i c h W a so n l yu s e dt DI z a n s m i tc o n t r o li n f o r m a t i o nO nt h eT o m st o p o l o g y F u r t h e r m o r e ，w ed e s c r i b e dt h ea p p l i c a t i o no fs h
6、 o r t e s tp a t ha l g o r i t h mi nN o C I no u rs t r u c t u r e ，t h en e t w o r kw a sm a n a g e db yag l o b a l c e n t r a lc o n t r o ln o d e ( C C M A tl a s t , s i m u l a t i n gt h en e t w o r kb yO P N E T S i m u l a t i o nr e m i t ss h o wt h a tt h i st o p o l o g yc a n
7、e f f e c t i v e l yr e d u c e d e l a ya n da v o i dc o n f l i c ta n dd e a d l o c k T h i sw 丛c o n s i s t o n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s K e yw o r d sn e t w o r k - o n c h i p ( N o C ) ；2 R - T o m s ；C C N ；s h o r t e s tp a t ha l g o r i t h m 1引言 自2 0 世纪7 0
8、年代以来，S o C 设计逐渐成为超大规模集 成电路设计的个重要领域。解决了芯片设计的众多挑战性 难题但近几年来，工艺技术不断发展，芯片能集成度越来 越高，工作频率迅速上升。使基于总线结构的S o C 设计复杂 度越来越大从而暴露出来了很多弊端。首先总线结构的 地址空问有限，无法有效的扩大电路规模，且一条总线无法 支持一对以上的用户同时通信，时间资源利用率很低再者， 总线结构要求全局同步，但工作频率达到1 0 G H z 以后，连线 延时造成的影响将严重到无法设计全局时钟树的程度【4 】N o C 就是为了蜒决这些阔题而提出鸽它将弼络技术应用予S o C 模块问的互连，是基于交换和路由的计算机
9、网络技术的高级 。基金项目嗣亲自然科学基金( 9 0 6 0 7 0 0 8 ) 。西安应用材辩创新基金( X A - A M ，2 0 0 6 1 5 ) 作者艇奔；王鲁硬士研究生，主璺舔究方寓计算瓿虚再技本t 张藕暴博士琴f 定变。主要研究方岛窀垮与系统N o c 设谗与验迁i 娃t 梭较授t 主叠取摹s a c 窥N o C 毂形 式化设计与验证I 韩俊尉教授，肆士生导师主要从s o c 的形式化设计与验证计算机应用技术辱研究- 6 6 4 王冬等：基于2 R - T o n l s 结构的片上网络设计与仿真 应用，可以有效的解决总线结构所带来的诸多问题，满足可 靠性和功耗等方面的需求1
10、 1 】【4 】N o C 是目前V L S I 领域研究的 重点，虽然还处在起步阶段，但是因为它自身的特点和优势。 所以对于多内核系统来说，片上网络将是理想的选择 N o C 实际上就是将网络技术应用子集成电路领域，N o C 技术到底采用什么样的拓孛卜结构和算法是该领域研究重点 其中环型、M e s h 和T o m s 是N o C 中常用的拓扑结构如图l 。 是一个T o m s 。它和M e s h 结构很相似，但边缘节点相互链接， 使其具有更规则更对称的路由分配和内部结构所以T c 口 u s 结构可以很容易的进行扩展，且作为一种潜在的新技术在未 来的应用领域会有很广泛的应用p 】
11、本文在T o r u s 结构的基础 上，提出了一种新的拓扑结构2 R - T o r u s ，它具有双环结构和 中央控制节点C C N 这种结构除了继承了T o m s 结构的优点 以外，使控制包和数据包在各自的环上并行传递而不发生冲 突，且C C N 节点的集中式管理使包在网络中无死锁无拥塞的 传递本文利用2 R - T o r u s 结构所具有的更多环路提出了最短 路径算法，使包点到点的跳变数比传统M e s h 结构X Y 路由算 法的跳变数要少最后，我们用饼闻巳T 实现了2 R - T o r u s 结 构在N o C 中的应用，且用表示N o C 性能的两个重要参数：端 到端
12、延时和链路利用率，对仿真结果进行分析 圈IT o m s 结构在N o C 中的应用 22 R - T o r u s 结构在N o C 中的应用 l 、2 R T o r t l s 结构的研究 T o m s 结构是常见的多维拓扑结构T o m s 结构是M e s h 结构的扩展，即在边缘节点间增加信道使每一行每一列的 节点成环状连接 e 1 N o C 就是将网络技术更好的应用于集成电 路领域图l 为典型4 x 4 的T o m s 结构在N o C 中的应用示意 图，其中每一个路由都通过网络接口N I ( n e t w o r ki n t e r f a c e ) 连接一个本地
13、I P ( 或处理芯片) 【l ，1 所有的路由就形成了一 个片上网络，用来实现球间的通讯 由图l 可看出，在T o m s 结构中，不同节点的邻接节点数 相同，即度数相同，值为4 这个特点使两种结构具有相同节 点数时，T o m s 结构较M e s h 结构具有更多的链路数导致后 期布局布线复杂。但同时，这个特点使T o r u s 结构较M e s h 结 构更易扩展，具有更规则更对称的路由配置和内部结构l 地1 且本文提出基于2 R - T o m s 的最短路径算法和C C N 集中管理， 使它相对于传统M e s h 的X Y 路由算法点对点传送的跳变数减 少且无死锁无拥塞，完成了
14、本文结构所要实现的目标 本文在对T o m s 结构的研究基础上，提出了一种新的结构 2 R - T o r u s 。有如下定义 定义l ；规则的1 ： 7 的2 R - T o r u s 结构即辨= 开 定义2 ：n x n 的2 R - T o r u s 结构的节点( x ，0 鼻一一l ， 0 Y 刀- 1 如图2 O c 晰点量据链路控倒链赡 图22 R - T o r a s 结构 定义3 ：在玎x 玎的2 R - T o r a s 结构中，节点O ，o ) 。 0 工一一l ，当工一定时，即( ，0 ) x = t ，0 t 一一l ，则( f 0 ) 节点为以力，0 ，
15、一- 1 节点所在行的头节点 定义4 ；定义节点( o ，o ) 为中心控制节点( C C N ) 定义5 ：在2 R - T o r u s 结构图G v ，E ) 中，对图中每一个节 点 ，Ey ，即y 为网络中所有节点的集合：对图中每一条边 ( ，y 2 ) EE ，即E 为网络中所有路径的集合 定义6 ：如果两个节点存在直接链l g ， 且( 五- - - x 2 ) ：、0 , 1 儿) - - 1 ，则在两个节点间增加一条新的链路， 并在相邻的头结点间增加一条新的链路，如图2 虚线表示 定义7 ：在节点的内部，对节点重新进行编码如果两个 节点存在直接链路 则对节点进行n 位编码。
16、k l = a e a l 1 k 2 - - b o b l b 其满足l q q 。- lo6 池。也- I 2 ，i ，l ，+ ，i + + I = l 即相邻的节点问只有一位编码不同，以4 x 4 的2 R T O m s 结构为例，如图2 6 6 5 中国* 算机辅助设计与圈形学2 0 0 8 魂念叠国首届C A D C G 学术含泌3 0 周年 由以上定义可得2 R o T 一结构具有全网对称性且具 有简单，规则，W 扩展性在N o C 体系结构的设计中r2 R - T o n j s 结构使N o C 的网络布局规整，目相对M e s h 结构来说它将边 缘节点连接起来使行列各自成环从而使点到点通信的链路 敛目减少口2 R - T o r _ l s 结构中点对点
