基于FPGA的NoC驗(yàn)證平臺(tái)的構(gòu)建

它主要包括3個(gè)模塊：
1)模擬IP核模塊 該模塊包含有數(shù)據(jù)流量產(chǎn)生器TG(Traffic Generator)模塊及數(shù)據(jù)流量接收器TR(Traffic Receiver)模塊。TG模擬產(chǎn)生NoC網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)IP節(jié)點(diǎn)可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量，TR用于收集NoC運(yùn)行過程中的各種信息。TG／R作為一個(gè)IP節(jié)點(diǎn)和待測(cè)NoC中的每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)相連接。
2)微處理器MPU及其接口MPI模塊 PC機(jī)通過MPU(FPGA中自帶的NiosⅡ軟核)和MPI實(shí)現(xiàn)對(duì)NoC各IP核中TG內(nèi)部各個(gè)配置寄存器的配置，并將TR中各個(gè)寄存器的內(nèi)容讀取到PC機(jī)中進(jìn)行處理。本模塊和模擬IP核模塊構(gòu)成FPGA硬件平臺(tái)。
3)NoC軟件模塊 完成對(duì)NoC的配置以及NoC系統(tǒng)的性能統(tǒng)計(jì)。PC機(jī)通過MPU與FPGA進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)NoC的配置并從FPGA中得到數(shù)據(jù)并進(jìn)行后端處理，以圖形的方式顯示給用戶，供用戶對(duì)所設(shè)計(jì)的NoC進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)PC機(jī)可以監(jiān)控NoC運(yùn)行的情況。
FPGA采用Ahera公司Stratix IV系列中的EP4SGX230KF40C2，該器件能夠提供高速的時(shí)鐘信號(hào)和大量的片內(nèi)資源，并具有大量外圍接口電路可供使用，這為基于FPGA的驗(yàn)證提供了強(qiáng)有力的保證。
1．1 流量產(chǎn)生器TG
該平臺(tái)中的TG是一個(gè)可重用的軟核，用戶可以通過為配置寄存器寫入不同的配置信息使其產(chǎn)生不同的流量并注入NoC中。TR用于接收數(shù)據(jù)信息，并統(tǒng)計(jì)發(fā)包數(shù)和收包數(shù)。
記錄延時(shí)信息，統(tǒng)計(jì)誤碼個(gè)數(shù)。圖2給出了TG、TR和MPI以及NoC之間的數(shù)據(jù)流向。

在片上網(wǎng)絡(luò)中，流量的分布由以下2方面決定：1)流量的源／目的節(jié)點(diǎn)對(duì)的分布，即空間位置上的通信概率分布，稱為空間分布；2)流量注入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，注入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間間隔在時(shí)間上呈現(xiàn)的概率分布，稱為時(shí)間分布。為了使該平臺(tái)達(dá)到評(píng)價(jià)NoC性能的目的，流量產(chǎn)生器TG將從空間分布和時(shí)間分布的不同，模擬出不同的流量。
空間分布主要包括：1)給定目標(biāo)地址：即配置TG產(chǎn)生發(fā)往確定目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)包；2)均勻分布：即配置TG產(chǎn)生均勻的發(fā)往網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，類似于網(wǎng)絡(luò)中的廣播現(xiàn)象；3)熱點(diǎn)分布：即配置TG產(chǎn)生發(fā)往網(wǎng)絡(luò)中一些特定的數(shù)據(jù)交換相對(duì)頻繁的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包；4)局部分布：即配置TG產(chǎn)生發(fā)往網(wǎng)絡(luò)中某一局部的網(wǎng)絡(luò)距離較近的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包；5)矩陣轉(zhuǎn)換地址分布：即按照矩陣X，Y向量轉(zhuǎn)置的特點(diǎn)。配置TG產(chǎn)生發(fā)往與發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。
時(shí)間分布主要包括：1)確定時(shí)間間隔：即配置TG每過一定數(shù)目的時(shí)鐘周期發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包，直到停止發(fā)包為止；2)自相似流量模型：即ON-OFF流量模型。即配置TG在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包，在一段時(shí)間內(nèi)停止發(fā)包。此類流量模型就是模擬現(xiàn)實(shí)中在某一段時(shí)間突發(fā)很大的流量，而在另外的時(shí)間段不產(chǎn)生流量；3)隨機(jī)分布：即配置TG在發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包之間的間隔是1個(gè)隨機(jī)時(shí)鐘周期數(shù)。
空間分布和時(shí)間分布一般會(huì)交錯(cuò)配置使用，那么組合之后可以產(chǎn)生十幾種不同的流量模型。另外，數(shù)據(jù)包的格式可以是用戶指定的數(shù)據(jù)，也可以是偽隨機(jī)序列PRBS(Pseudo Random Binary Sequences)。數(shù)據(jù)包的大小亦可由用戶指定，以數(shù)據(jù)片為單位，最小的數(shù)據(jù)包包含4片，最大的數(shù)據(jù)包包含511片。那么將流量模型和數(shù)據(jù)格式以及數(shù)據(jù)包的大小組合起來，就會(huì)產(chǎn)生種類更為豐富的流量模型。
流量產(chǎn)生器TG內(nèi)部設(shè)有多個(gè)配置寄存器，包括：發(fā)包使能寄存器，發(fā)包間隔寄存器，發(fā)包地址和數(shù)據(jù)寄存器以及發(fā)包類型寄存器。這些寄存器統(tǒng)一編址，用戶可以通過配置這些寄存器控制TG工作。
1．2 流量接收器TR
流量接收器TR用于收集收發(fā)包數(shù)目，收發(fā)包的收據(jù)片，并且統(tǒng)計(jì)誤碼和時(shí)延信息。為了達(dá)到此目的，TR內(nèi)部設(shè)有多個(gè)只讀寄存器，包括：發(fā)包個(gè)數(shù)寄存器．收包個(gè)數(shù)寄存器，發(fā)包數(shù)據(jù)寄存器，收包數(shù)據(jù)寄存器，中斷寄存器，誤碼計(jì)數(shù)器以及延時(shí)寄存器，延時(shí)寄存器可以保存最近80個(gè)包的延時(shí)信息。這些寄存器統(tǒng)一編址，可以通過訪問這些寄存器來讀取各種用于功能驗(yàn)證和性能評(píng)估的原始數(shù)據(jù)。
1．3 微處理器MPU及微處理器接口MPI
微處理器MPU是在QuartusⅡ軟件的SOPC Builder工具中定制的。它包括1個(gè)NiosⅡ處理器IP核和外圍的一些并行輸入輸出接口。NiosIⅡ系列嵌入式處理器是一款通用的RISC結(jié)構(gòu)的CPU，使用32位指令集結(jié)構(gòu)(ISA)的二進(jìn)制代碼兼容。將NiosⅡ處理器嵌入到FPGA硬件平臺(tái)中，配合整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證的功能。該平臺(tái)在所定制的NiosⅡ處理器的外圍還加入讀信號(hào)、寫信號(hào)、地址信號(hào)、輸入數(shù)據(jù)信號(hào)、輸出數(shù)據(jù)信號(hào)和中斷信號(hào)等，來完成PC機(jī)和FPGA硬件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信。
NiosⅡ處理器外圍還包括一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)軟核，用于提供NoC電路中所需要的各種時(shí)鐘頻率。微處理器MPU與TG／R通信時(shí)，讀寫控制時(shí)鐘作為突發(fā)時(shí)鐘，頻率一般比較低。而NoC中交換節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換會(huì)由于特定電路的不同，工作時(shí)鐘頻率會(huì)大小不同，那么根據(jù)此工作頻率，PLL產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)配合其工作。MPU處理器僅占Stratix IVEP4SGX230KF40C2器件2 820個(gè)邏輯資源LE (Logic Element)(即1％)。因此使用非常高效。
該平臺(tái)還提供一個(gè)通用的微處理器接口MPI，用于保障MPU和TG／R之間的數(shù)據(jù)通信，也為MPU和TG／R的重復(fù)使用提供了統(tǒng)一接口。
1．4 NoC軟件
NoC軟件主要完成對(duì)FPGA硬件平臺(tái)的初始化配置和信息收集及統(tǒng)計(jì)處理。根據(jù)功能劃分為2部分：
1)NoC測(cè)試部分 其基本功能包括對(duì)FPGA硬件平臺(tái)的各個(gè)IP中TG內(nèi)部配置寄存器的初始化配置，啟動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)流并注入到NoC中，同時(shí)對(duì)NoC的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)時(shí)收集與功能驗(yàn)證和性能評(píng)估相關(guān)的信息。該軟件是在NiosⅡ的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)下用C語言設(shè)計(jì)開發(fā)的，在GNU的編譯器下編譯之后形成可以下載到MPU上直接運(yùn)行的二進(jìn)制文件。
2)NoC性能統(tǒng)計(jì)處理部分 該部分的主要功能是借助于第三方繪圖工具按照NoC性能統(tǒng)計(jì)規(guī)則對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，并以圖表的方式直觀顯示NoC的基本功能和統(tǒng)計(jì)學(xué)性能。
以上兩部分都是在PC機(jī)上開發(fā)完成的，可應(yīng)用于對(duì)不同NoC的測(cè)試與驗(yàn)證。這為基于FPGA的硬件驗(yàn)證平臺(tái)增強(qiáng)了靈活性和實(shí)用性。

2 仿真驗(yàn)證流程
該驗(yàn)證平臺(tái)的驗(yàn)證流程包括FPGA硬件平臺(tái)的構(gòu)建和對(duì)該硬件平臺(tái)的初始化配置以及NoC運(yùn)行之后的信息收集和統(tǒng)計(jì)處理。仿真驗(yàn)證流程如圖3所示。