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1、基于分离传输的网络处理器片上总线设计与实现 作者：刘培彦 导师：郝跃教授 学科：微电子学与固体电子学 中国西安 2 0 1 1 年1 月 D e s i g na n dI m p l e m e n 毫a t i o no fO nC h i pB u si n N e 伽o r kP r o c e s s o rB a s e do nS p l i tT r a n s a c t i o n AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oX i d i a n U n i V e r s i 锣 i nC a n d i d a c yf o
2、 rt h eD e g r e eo fM a s t e ri nM i c r o e l e c t r o n i c s a n dS o l i d S t a t eE l e c t r o n i c s B v ， L i uP e i y a n a n ，P R C h i n a J a n u a r y2 0 1 l 7川8唧0删7，6 舢8叶i_Y 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科
3、技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此
4、规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期乙 厶! ：墨垄 日期五i ! d 。f 泛地被 冀上息 何方便 域亟需 解决的问题。 本文为网络处理器X D N P 的异构多核系统设计了一种高性能的片上总线结 构。该总线结构采用了两层总线来实现，分为控制平面层总线和数据平面层总线。 我们在设计数据平面总线时，采用了基于分离传输的总线连接，并为该总线设计 了基于混合优先级仲裁算法的总线仲裁器，以保证系统中主设备总线使用权的公 平性和优先性。控制平面层总线则主要包括两部分：A H B 总线和P L B A H B 总线 桥。P L B A H B 总线桥实现了具
5、有P L B 总线接口的处理器能够和具有A H B 总线接 口的从设备之间的通信。本文中设计P L B A H B 总线桥，是为了使得具有A H B 总 线接口的网络处理器系统可以在X i l i n X 系列的F P G A 板中测试验证。 在片上总线的验证过程中，本文采用了仿真验证和断言验证( S V A ) 相结合的 验证方法，来进一步保证设计模块的正确性。同时利用断言快速查找和定位设计 缺陷的优点，提高了验证效率。在完成功能验证的工作之后，本文搭建了性能对 比平台，得出了采用分离总线结构的网络处理器系统，总线吞吐率达到5 8 G b p s ， 相比使用A H B 共享总线连接，效率提
6、升2 3 倍，平均时延降低了4 5 。最后，本 文使用S Y N O P S Y S 公司的D e s i 印C o m p i l e 工具对片上总线设计模块进行了综合， 综合结果表明，片上总线模块在2 5 0 M H z 下的满足时序上的要求，能够达到设计 规格中片上总线工作频率为2 3 2 z 的设计指标。 关键词：网络处理器，S o C ，片上总线，分离传输，仲裁器，P L B A 哺总线桥 S V A A b s t r a c t W 油m ed e V e l o p m e n to fV L S Ia n ds e m i C 0 n d 嗽o rm 锄u R l C t u
7、 r et e c h n i c s ，S o C ( S y S t e m0 naC l l i p ) i s 印p l i e dt ov 耐o u s6 e l d sm o r ea I l d m o r ew i d e l y T h eb u S 掀i t e c t u r e sw “C ha r e 慨s p l a I l t 舶mb r o a dS y s t 锄sa 1 1 dA S I Cc h i p sc a l l n o tm e e t r e q 妇黜锄o fS o C S u C C e s s “o n - c 啷b u S c a na
8、l l 嘶a t ed e s i 印e r S e 行o r t se x 硎n g o n I Pb l o c l ( si n t e 黟a t i o n 锄dc a l lm a l ( ec o m p o n e n t se 衔c i e n U yc 0 1 1 1 m l m i c a t ew l t l le a C h o t l l e r I I ln l i sp a p ab u Sa r c t l i t e c n 、枷C hi so f h i 曲岫u g h p u ta I l dl o wb u s1 a t e l l c y i s p
9、r e s e I l t e d f o rm eh e t 啪g e n e O 惜m u l t i 删en 咖o r kp r o c e s s o r - ) ( D N P 眦sb u s 鲫池t e c n l r eu S e 觚om a i l ll a y e r st 0r e a l i z e ，i sd M d e di n t 0t h eC 0 n 们lp l a l l eb u s 鼯a n d t 1 1 ed a t ap l a l l eb u s e s T h eb u sc o 皿e c t i o no f 廿l ed a t ap l a
10、 n eb l l s e Si sb a S e do n t l l eS p l i t t r a I l s 枷o n M e a n w h i l e ，ab u sa r b i t e rb a S e do nm i x e dp d o r i 够a r b i 仃a t i o na l g o r i t h mf o r t l l i sb u ss 仃u c n 鹏i sa l s op r e s e n t e di nt l l i sp a p w h i c he I l s u r e sm a tm e u s er i 曲t so f t l l
11、 e b u sa r ef a i ra n d 研0 r 1 1 1 ec o l l 仃o lp l a n eb u S e sm a i l l l yc 0 I l s i s to f t w 0p 躺：A H B b u S 狃d P L B A H Bb u sb r i d g e B ym eP L B A H Bb u sb r i d g e ，m ec o 舢【l l u n i c a t i o n b 出) l ，e e I la p r o c e s s o rw i mP L Bb u si n t 曲c ea n dm e d e V i c e sw
12、 油A H Bb u si 咖ei s 溅e V e d T h ep u r p o s eo fd e s i g nt h eP L B A H Bb u sb d g ei s t 0m a l ( et 1 1 en 娟v o r kp r o c e s s o r s v S t e mw i mA H Bb u si n t e 血c ec o u l db et e s t e di nm e x i l i n xF P G Ab o a r d W e1 l S eam e t h o do fc o m b i r l i n gs i m u l a t i o nV
13、 e r i f i c a t i o n 锄da S s c n i o n sV e r i 6 c a t i o n ( S 、，A ) ，t 0f i m h e rc I l s u r et l l ec o r r e c t I l e s so f 吐l ed e s i g nm o d u l e A tm es 锄et i m e ，m e a d V a n t a g eo fa S s 矾o n 也a t “c 觚q u i 出y 缸da n dl o c a t em ed e s 啦n a w s i si m p m 咖g v e r i f i c a
14、 t i o ne 伍c i e l l c y W h e 芏l 缸l c t i o n a lv 甜6 c a t i o no f t 1 1 eb u Si sc o m p lc t I e d ，l i sp a p e r b u i l tap l a t f o n nf o rp e r f 0 肌a I l c ec o m p 撕s o I l b yw l l ic _ bC o m et 0 t 1 1 ec o n c l u s l o n 也a t c o m p a r e dt 0A H B b u sa r c l ：l i t e c t u | e
15、 ，t l l eb u Sa r c l l i t e C t u r e 锄sp a p e fp r e s e l l t e dh a sa 2 3 劬e si m p r o v 锄e 1 1 ti I l 岫u g l l p u t 趾d4 5 d e c r e a s ei nc o n H n 疵c a t i o nl a t 锄哆A n d m e u 曲p u t o fm es y s t 锄a d o p 硼t t l i sb u s 嬲洳t e c t u r ec a n 枷e V eu p t o5 8 G b p s F i n a l l y w
16、em a p p e dn l ed e s i 弘m o d u l et 0 T S M CO 13 啪t ec _ 1 1 I 1 0 1 0 9 yt h r o u g l l S y n o p s y sD e s i 印C o m p i l d T 1 1 ed e l a yo fd e s i 萨m o d u l ei s 2 9 7I l s ，w 1 1 i c hi sa b l et 0 m e e tm ed e s i 萨r e q u i r e m e l l t si I ld e s i 印s p e c i f i c a t i o I l sa b o u tt 1 1 a t t l l et a 玛e t 厅e q u e l l c y m u s tn o tl o w e rn l a n2 3 2 M H z K E Y W o R D S ：N
