片上网络无虚通道容错路由技术研究

【摘要】随着微电子技术的发展，片上系统(System-on-Chip，SoC)中集成的IP核数目不断增加。传统的SoC共享总线结构无法满足多IP体系的发展需要。研究者们借鉴计算机通信网络技术的思想，提出了一种新的片上互连结构——片上网络(Networks-on-Chip，NoC)。NoC在结构上实现了通信模块和计算模块的分离，具有良好的并行通信能力，解决了传统的SoC总线扩展性差，通信效率低和全局同步功耗高等问题，成为了当前片上互连的设计趋势。在集成电路特征尺寸减小、频率升高的趋势下，NoC对于串扰、电磁干扰、电压扰动等噪声干扰更为敏感，并可能导致错误数据的产生。另外，随着晶体管密度增大，芯片在生产时出现缺陷以及运行过程中出现故障的概率也随之增加，因此针对NoC的容错技术成为近年来相关领域的研究热点。本文以NoC容错路由为对象，研究片上网络无虚通道容错算法以及仿真验证平台的设计和构建，得出了一些新的、较为实用的技术和研究成果。主要内容包括：1.单故障节点NoC无虚通道容错算法研究。在分析单故障节点NoC的结构特点的基础上，提出了一种新的无虚通道容错算法，以弥补现有算法在处理单故障节点NoC路由问题时存在的不足。该算法通过设置辅助节点和优化绕行策略，实现了均衡片上网络负载和减少网络传输时延的目的。在此基础上，推导证明了所提算法的无死锁性。静态和动态仿真表明：与现有算法相比，该算法具有低功耗、低时延的特点。2.多故障节点NoC无虚通道容错算法研究。针对现有多故障节点无虚通道容错算法存在的问题，提出了一种适用于2DMeshNoC的多故障节点无虚通道容错算法。详细分析了算法的路由器设计、优化方法及实现步骤，并在此基础上利用通道依赖图(ChannelDependencyGraph，CDG)理论，证明了其具有无死锁性。进一步的仿真表明，与现有算法相比，该算法能够减少通信时延，且随着故障区域面积的增加，效果更为明显。3.基于链路故障模型的NoC无虚通道容错路由算法研究。针对采用节点故障模型的容错算法存在故障区域面积大、节点利用率低的问题，提出一种基于链路故障模型的无虚通道容错算法。通过建立新的故障模型和优化容错路由策略，可有效减少绕行距离，并提高节点利用率。仿真表明：与采用节点故障模型的无虚通道容错算法相比，所提算法可减少传输时延，提高网络吞吐量。4.NOC软件仿真工具的开发和应用。以OPNET为基础，通过在网络域、节点域和进程域三个层面对NoC系统进行的建模，实现了一种模块化的通用仿真工具——基于OPNET的NoC仿真平台。用户可以选择平台中己有模型进行NOC的仿真。同时该平台支持二次开发，用户能够通过修改相应模块的方式，增加新的拓扑结构、路由节点和路由算法。5.NoC硬件仿真平台的设计和实现。分析了两种硬件平台的设计思路和结构，可以实现对NOC拓扑结构、路由节点和路由算法的仿真和验证。
【作者】姚磊；
【导师】张海林；李赞；
【作者基本信息】西安电子科技大学，通信与信息系统，2014，博士
【关键词】片上网络；容错；无虚通道；路由算法；仿真平台；

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