SoC設計中的片上通信體系結構研究

?自20世紀70年代以來的大多數時間內，超大規模集成電路器件的特征尺寸以每三年70 9／6的速度縮小，從而使得數目越來越多的晶體管可以集成在同一顆半導體芯片上制造。由于具有速度、價格、面積、功耗和上市時間上的優勢，基于IP核復用技術的SoC設計逐漸成為超大規模集成電路設計的一個重要領域，特別是SoC給無線通信、多媒體和消費類電子領域的設計提供了一個性價比更好的集成解決方案。而在SoC設計中，片上通信的研究是國內外SoC設計基礎研究中的關鍵技術之一。

1 片上通信體系結構技術介紹
??? 國內外片上通信體系結構的研究主要有五種：共享總線結構、片上網絡結構、交叉開關、點到點通信和混合片上通信結構。
??? 共享總線的互連方式可以分為：單總線、多總線和層次化總線。共享總線式的片上通信主要由公司開發并廣泛應用于實際的SoC設計中，如IBM的CoreCon-nect總線互連框架、ARM公司的AMBA總線，以及其他一些公司的總線等，同時國內的高等院校也有對共享總線式的片上通信的研究，例如西安電子科技大學的科學基金項目“高性能SoC異步互連技術研究”，南京大學的科學基金項目“動態可重構SoC：中數據通信問題的研究”等。仲裁器是共享總線中的關鍵技術之一，現有的仲裁器的優先級策略包括靜態優先級策略、時分多路優先級策略和基于隨機數的彩票優先級策略的研究。盡管共享總線互連結構能夠適合大量的應用并被采用，但是它也存在一些問題。首先SoC中具有各種各樣的IP模塊，每個模塊都有各自的通信要求，而通常的單總線結構在同一時刻僅能授權一個發出請求的主設備占用共享總線，因此限制整個SoC的性能。同時，隨著SoC的規模越來越大，總線結構的長互連問題、深亞微米技術下的串擾問題以及壓降問題，都表現出來。
??? 近幾年，已有國內外學者提出采用計算機網絡的互連通信技術進行SoC的片上網絡設計與研究，這種片上網絡結構能夠極大提高多處理器SoC的性能。然而相當于共享總線結構來說，同時帶來了較大的硬件和延遲開銷。2002年Standford大學的De Micheli提出了采用將計算機網絡互連技術使用到SoC設計中。他認為片上網絡可以為SoC帶來更高帶寬的通信鏈路和易于擴展的節點，同時，采用該技術可以提高SoC的服務質量(QoS)。對于片上網絡，現在的研究主要集中在片上網絡(NOC)的結構、通信協議、高層次綜合和設計自動化。近年來，多種基于報文交換網絡的片上網絡互連結構被提出，其中較多被研究的包括二維網格NoC、可擴展的可編程片上網絡SPIN等。

? 基于交叉開關(Crossbar)的片上通信互連結構，包括單級交叉開關互連和多級交叉開關互連。文獻[11]認為，在理論上對于多處理器的并行計算應用，采用交叉開關進行通信，其效率是最高的；然而，其實現的代價較大。對于一個具有N個節點的交叉開關，其實現復雜度和代價隨著O(N2)增加。一個N×M的交叉開關網絡，每個處理器可以讀寫不同的存儲模塊，所有處理器和存儲模塊可以并行通信。當兩個或多個處理器請求訪問同一模塊是，仲裁機制會令一個處理器訪問而其他處理器等待。近年來，隨著集成電路制造的特征尺寸逐漸縮小，交叉開關互連結構在SoC中也得到了應用。
??? 文獻[12]中描述的NextJs SoC芯片，采用了一個具有16個端口的異步交叉開關互連方式，在130 nm工藝下，主頻為1．35 GHz，等分封裝帶寬達780 Gb／s。點對點的片上通信互連結構是指各個IP核之間都有其專用的通信鏈路，相對于共享總線來說，具有獨特的優點。例如點到點的通信容性負載相對較小，因此有較小的延遲。但是，由于每個IP核之間都有通信鏈路，其互連資源必然增多，造成布局布線的困難。每個IP核也需要更多的通信端口，增加了芯片的面積。文獻[13]中，作者提出了一種基于功耗約束的點對點通信的綜合算法。針對H．263應用的編碼器，采用該算法進行綜合，與傳統共享現在的綜合結果進行了比較，芯片上的面積開銷雖然增大4％，但連線長度卻減少了15％，芯片的功耗減小到原來的26％。
??? 文獻[14]提出了片上通信多樣性概念，即采用不同片上通信結構的組合，把整個芯片分為幾個孤島，每個孤島可能采用不同的電壓和時鐘頻率，從而達到對系統具體參數優化的目的，如功耗、吞吐率。特別是近幾年，片上通信網絡的提出，使得片上通信網絡的組合越來越豐富。利用上面提到的各種片上通信結構進行組合，可以充分發揮各種通信方式的優點，如總線方式的開銷較小，且需要共享的數據傳輸性能高，而片上網絡的方式可以增加數據傳輸的可靠性和并行性，具有高的通信帶寬，因此，混合的片上通信結構為高性能的SoC設計提供了一種新的設計空間。
??? 對片上通信的體系結構的研究，給SoC中性能優化的片上通信設計提供了一個探索空間。同時，片上通信系統的功耗、可靠性和帶寬等具體性能參數的研究，對于片上通信的優化設計也具有重要意義。

2 一種新的片上通信體系結構
??? 據市場預測，2010年全球市場SoC規模將超過IC總市場份額，因此作為SoC設計的關鍵技術之一的片上通信的研究與設計，具有重要意義。在國內外研究片上通信體系結構的基礎上，提出一種將共享總線和片上網絡相結合的混合片上通信結構。圖1給出了一個2通道混合片上通信結構的示意圖。該混合片上通信體系結構，傳統的片上共享總線與片上網絡相結合。這樣，對于具有N個主從設備的IP核的SoC，經配置M個通道可以并行通信。
??? 圖1中的仲裁器用于對所有模塊的通信申請和授權進行仲裁。這里提出了基于申請和授權的優先級模型。

??? 仲裁序列：在SoC中存在N個主設備，記為M1，M2，…，Mi，…，MN(i=1，2，…，N)，如果將第i次得到仲裁的主設備記為Xi，那么稱序列{X1，X2，…，Xi,…}為仲裁序列。
??? 仲裁周期序列段：如果仲裁周期為L(正整數)，那么第i個仲裁周期序列段為：
???
??? Mi到Mj的授權轉移：如果Xi為Mi，Xi+1為Mi，那么稱{Xi，Xi+1}為Mi到Mj的授權轉移。
??? 授權模式：在第i個仲裁周期序列段{X(i-1)×L+1，X(i-1)×L+2，…，X(i-1)×L+L}(i=1，2，…)中，如果第j個主設備的授權次數記為nj(j=1，2，…，N)，那么{n1，n2，…，nj，…，nN}稱為第i個仲裁周期序列的授權模式。
??? 由授權模式和仲裁周期的定義，可以得到：
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??? 通常，在某一運行時間段，SoC中的各個IP核的優先級將不同于另一個運行的時間段，因此，SoC中各個IP核優先級必然存在時間局域性。在此前提下，利用存儲的第i個仲裁周期序列段中的授權模式，可以動態計算第i+1個仲裁周期序列段中的Xi×L+j=Mk(k=1，2，…，N)的機率和Mi～Mj的授權轉移機率。

圖1中，進行數據報文交換的是交叉開關。如果在SoC中僅有一個或兩個DSP，該交叉開關可以有2M個端口；而如果存在一個處理器(DSP)陣列，則該交叉開關可以有2M+1個端口，以便于二維網格的擴展。圖1中的MUX單元可以采用選通器，如圖2所示。

??? 目前已經完成對仲裁器、接口單元和片上交叉開關進行Verilog的RTL代碼編寫，在Cadence的仿真環境下進行了功能驗證。下一步將針對TSMC的180 nm低功耗標準單元庫進行邏輯綜合，在Cadence的仿真環境下得到面積、功耗和主頻等性能參數，并完成對上述片上通信結構后端的設計和評估。

3 結 語
??? 經驗證，該片上通信的優化體系結構既保留了片上共享總線的面積小的優點，又具有片上網絡的并行通信的優點。目前，具有優化體系結構的片上通信IP核，已經應用于實際的SoC設計中。將來，該研究結果在我國已發展或將要發展的高清晰度數字電視處理器SoC芯片、3G無線移動終端基帶SoC芯片和其他SoC芯片的設計中，都會具有重要的實際應用意義。