SoC設(shè)計(jì)中的片上通信體系結(jié)構(gòu)研究

自20世紀(jì)70年代以來的大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，超大規(guī)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(shù)目越來越多的晶體管可以集成在同一顆半導(dǎo)體芯片上制造。由于具有速度、價(jià)格、面積、功耗和上市時(shí)間上的優(yōu)勢，基于IP核復(fù)用技術(shù)的SoC設(shè)計(jì)逐漸成為超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要領(lǐng)域，特別是SoC給無線通信、多媒體和消費(fèi)類電子領(lǐng)域的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)性價(jià)比更好的集成解決方案。而在SoC設(shè)計(jì)中，片上通信的研究是國內(nèi)外SoC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 片上通信體系結(jié)構(gòu)技術(shù)介紹
國內(nèi)外片上通信體系結(jié)構(gòu)的研究主要有五種：共享總線結(jié)構(gòu)、片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、交叉開關(guān)、點(diǎn)到點(diǎn)通信和混合片上通信結(jié)構(gòu)。
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(fā)并廣泛應(yīng)用于實(shí)際的SoC設(shè)計(jì)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(shí)國內(nèi)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(xué)的科學(xué)基金項(xiàng)目“高性能SoC異步互連技術(shù)研究”，南京大學(xué)的科學(xué)基金項(xiàng)目“動(dòng)態(tài)可重構(gòu)SoC：中數(shù)據(jù)通信問題的研究”等。仲裁器是共享總線中的關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)有的仲裁器的優(yōu)先級策略包括靜態(tài)優(yōu)先級策略、時(shí)分多路優(yōu)先級策略和基于隨機(jī)數(shù)的彩票優(yōu)先級策略的研究。盡管共享總線互連結(jié)構(gòu)能夠適合大量的應(yīng)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(gè)模塊都有各自的通信要求，而通常的單總線結(jié)構(gòu)在同一時(shí)刻僅能授權(quán)一個(gè)發(fā)出請求的主設(shè)備占用共享總線，因此限制整個(gè)SoC的性能。同時(shí)，隨著SoC的規(guī)模越來越大，總線結(jié)構(gòu)的長互連問題、深亞微米技術(shù)下的串?dāng)_問題以及壓降問題，都表現(xiàn)出來。
近幾年，已有國內(nèi)外學(xué)者提出采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的互連通信技術(shù)進(jìn)行SoC的片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與研究，這種片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠極大提高多處理器SoC的性能。然而相當(dāng)于共享總線結(jié)構(gòu)來說，同時(shí)帶來了較大的硬件和延遲開銷。2002年Standford大學(xué)的De Micheli提出了采用將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)使用到SoC設(shè)計(jì)中。他認(rèn)為片上網(wǎng)絡(luò)可以為SoC帶來更高帶寬的通信鏈路和易于擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，采用該技術(shù)可以提高SoC的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。對于片上網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在的研究主要集中在片上網(wǎng)絡(luò)(NOC)的結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、高層次綜合和設(shè)計(jì)自動(dòng)化。近年來，多種基于報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)的片上網(wǎng)絡(luò)互連結(jié)構(gòu)被提出，其中較多被研究的包括二維網(wǎng)格NoC、可擴(kuò)展的可編程片上網(wǎng)絡(luò)SPIN等。