SoC設(shè)計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、價格、面積、功耗和上市時間上的優(yōu)勢，基于IP核復(fù)用技術(shù)的SoC設(shè)計逐漸成為超大規(guī)模集成電路設(shè)計的一個重要領(lǐng)域，特別是SoC給無線通信、多媒體和消費類電子領(lǐng)域的設(shè)計提供了一個性價比更好的集成解決方案。而在SoC設(shè)計中，片上通信的研究是國內(nèi)外SoC設(shè)計基礎(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)、點到點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)用于實際的SoC設(shè)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(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)基金項目“動態(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、時分多路優(yōu)先級策略和基于隨機數(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)在同一時刻僅能授權(quán)一個發(fā)出請求的主設(shè)備占用共享總線，因此限制整個SoC的性能。同時，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)者提出采用計算機網(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提出了采用將計算機網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)使用到SoC設(shè)計中。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展的節(jié)點，同時，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)計自動化。近年來，多種基于報文交換網(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、可擴展的可編程片上網(wǎng)絡(luò)SPIN等。
    基于交叉開關(guān)(Crossbar)的片上通信互連結(jié)構(gòu)，包括單級交叉開關(guān)互連和多級交叉開關(guān)互連。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為，在理論上對于多處理器的并行計算應(yīng)用，采用交叉開關(guān)進(jìn)行通信，其效率是最高的；然而，其實現(xiàn)的代價較大。對于一個具有N個節(jié)點的交叉開關(guān)，其實現(xiàn)復(fù)雜度和代價隨著O(N2)增加。一個N×M的交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，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(dāng)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(guān)互連結(jié)構(gòu)在SoC中也得到了應(yīng)用。
    文獻(xiàn)[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(guān)互連方式，在130 nm工藝下，主頻為1．35 GHz，等分封裝帶寬達(dá)780 Gb／s。點對點的片上通信互連結(jié)構(gòu)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(yōu)點。例如點到點的通信容性負(fù)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(xiàn)[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(yīng)用的編碼器，采用該算法進(jìn)行綜合，與傳統(tǒng)共享現(xiàn)在的綜合結(jié)果進(jìn)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(xiàn)[14]提出了片上通信多樣性概念，即采用不同片上通信結(jié)構(gòu)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(dá)到對系統(tǒng)具體參數(shù)優(yōu)化的目的，如功耗、吞吐率。特別是近幾年，片上通信網(wǎng)絡(luò)的提出，使得片上通信網(wǎng)絡(luò)的組合越來越豐富。利用上面提到的各種片上通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，可以充分發(fā)揮各種通信方式的優(yōu)點，如總線方式的開銷較小，且需要共享的數(shù)據(jù)傳輸性能高，而片上網(wǎng)絡(luò)的方式可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院筒⑿行?，具有高的通信帶寬，因此，混合的片上通信結(jié)構(gòu)為高性能的SoC設(shè)計提供了一種新的設(shè)計空間。
    對片上通信的體系結(jié)構(gòu)的研究，給SoC中性能優(yōu)化的片上通信設(shè)計提供了一個探索空間。同時，片上通信系統(tǒng)的功耗、可靠性和帶寬等具體性能參數(shù)的研究，對于片上通信的優(yōu)化設(shè)計也具有重要意義。

2 一種新的片上通信體系結(jié)構(gòu)
    據(jù)市場預(yù)測，2010年全球市場SoC規(guī)模將超過IC總市場份額，因此作為SoC設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一的片上通信的研究與設(shè)計，具有重要意義。在國內(nèi)外研究片上通信體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種將共享總線和片上網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合片上通信結(jié)構(gòu)。圖1給出了一個2通道混合片上通信結(jié)構(gòu)的示意圖。該混合片上通信體系結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的片上共享總線與片上網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。這樣，對于具有N個主從設(shè)備的IP核的SoC，經(jīng)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(quán)進(jìn)行仲裁。這里提出了基于申請和授權(quán)的優(yōu)先級模型。

    仲裁序列：在SoC中存在N個主設(shè)備，記為M1，M2，…，Mi，…，MN(i=1，2，…，N)，如果將第i次得到仲裁的主設(shè)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(shù))，那么第i個仲裁周期序列段為：
   
    Mi到Mj的授權(quán)轉(zhuǎn)移：如果Xi為Mi，Xi+1為Mi，那么稱{Xi，Xi+1}為Mi到Mj的授權(quán)轉(zhuǎn)移。
    授權(quán)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(shè)備的授權(quán)次數(shù)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(quán)模式。
    由授權(quán)模式和仲裁周期的定義，可以得到：
   
    通常，在某一運行時間段，SoC中的各個IP核的優(yōu)先級將不同于另一個運行的時間段，因此，SoC中各個IP核優(yōu)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(quán)模式，可以動態(tài)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(quán)轉(zhuǎn)移機率。
    圖1中，進(jìn)行數(shù)據(jù)報文交換的是交叉開關(guān)。如果在SoC中僅有一個或兩個DSP，該交叉開關(guān)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(guān)可以有2M+1個端口，以便于二維網(wǎng)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(jīng)完成對仲裁器、接口單元和片上交叉開關(guān)進(jìn)行Verilog的RTL代碼編寫，在Cadence的仿真環(huán)境下進(jìn)行了功能驗證。下一步將針對TSMC的180 nm低功耗標(biāo)準(zhǔn)單元庫進(jìn)行邏輯綜合，在Cadence的仿真環(huán)境下得到面積、功耗和主頻等性能參數(shù)，并完成對上述片上通信結(jié)構(gòu)后端的設(shè)計和評估。

3 結(jié) 語
    經(jīng)驗證，該片上通信的優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)既保留了片上共享總線的面積小的優(yōu)點，又具有片上網(wǎng)絡(luò)的并行通信的優(yōu)點。目前，具有優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)的片上通信IP核，已經(jīng)應(yīng)用于實際的SoC設(shè)計中。將來，該研究結(jié)果在我國已發(fā)展或?qū)⒁l(fā)展的高清晰度數(shù)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(shè)計中，都會具有重要的實際應(yīng)用意義。