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摘要：與總線架構相比，片上網絡具有支持并行通信、良好的可擴展性、規則的結構、可重用性等優點。網絡接口是片上網絡中處理器核與路由節點之間的接口，網絡接口的數據轉化和傳輸效率影響整個片上網絡的工作效率。研究的NoC系統采用3×3二維mesh的結構，DSP核采用AMBA總線結構，路由節點采用包交換方式，為了實現二者之間的數據轉換與交換，設計了網絡接口。為了提升傳輸效率，網絡接口設計支持數據批傳輸，批傳輸不需DSP核參與，節省處理器資源。在完成網絡接口的RTL設計后，進行了仿真驗證，保證了網絡接口的功能正確性。

關鍵詞：片上網絡；網絡接口；路由節點；數據包

1引言

隨著片上可集成的晶體管數目越來越龐大，設計者可以在一個單片上集成越來越多的處理器核及配套的復雜系統。但是隨著處理器核數量的增加，傳統基于總線架構的SoC顯現出局限性：帶寬限制、可擴展性差、設計復雜等，于是片上網絡[1]架構應運而生。NoC[2]架構由瑞典皇家技術學院率先提出，隨后斯坦福大學提出了包交換技術代替連線結構的思想[3]。國內參與NoC研究的高校也越來越多，如西安電子科技大學在路由算法[4~5]方面的研究，南京大學、哈爾濱工業大學、合肥工業大學等都在NoC領域有所建樹。針對NoC架構系統規模大、功耗相對較高的問題，合肥工業大學提出采用總線翻轉(BI)編碼算法和格雷碼編碼組成聯合編碼的方法來降低功耗[6]。經過十幾年的發展與論證，對于NoC架構的研究也趨于成熟。片上網絡的關鍵技術研究大致可以分為三個方向：拓撲結構，路由器和網絡接口(NetworkInterface)。從結構上來說，不管什么形式的片上網絡都是由路由模塊和網絡接口模塊所構成的[7]。網絡接口是NoC系統的重要組成部分，是本地子系統（處理器核）和路由節點之間的轉接口，網絡接口的數據轉化和傳輸效率影響整個片上網絡的工作效率。網絡接口的主要作用是：（1）讓處理器核承擔最小的通訊服務任務；（2）將處理器核與網絡通信部分分離，即計算和通訊間的分離，使計算資源對網絡透明，從而實現處理器資源間的互連，且能提高設計的重用性。網絡接口在處理器一側實現了總線接口，在網絡一側實現了網絡接口。網絡接口主要考慮地址信號、數據的打包、解包、編碼、同步等問題。本文設計的網絡接口主要功能包括：對AHB總線上的數據和路由節點（Router）上的數據包（Packet）進行數據格式轉化和交換；實現本地內核到其他核存儲空間的數據讀寫；實現本地存儲空間和其他核存儲空間之間的大批量數據傳輸。數據批傳輸主要負責大規模的數據傳輸，由網絡接口控制，不需要處理器核參與，處理器核可以繼續處理其他程序，極大地提高了處理器的效率。

2網絡接口設計

本文設計的網絡接口集成在一個3×3二位mesh結構的NoC中，如圖1所示，NoC系統中包含9個DSP核。網絡接口(NI)連接本地DSP系統和路由節點，負責兩者之間的數據交換。網絡接口負責把本地DSP系統發過來的數據打包后發送到相連的路由節點中，數據包通過路由網絡傳送到目的路由節點，再通過目的地的網絡接口解析后，取出傳輸的有效數據存入目的存儲空間中。本文設計的網絡接口支持三種數據傳輸模式：（1）本地DSP寫異地存儲器：由本地DSP發起寫數據請求，數據通過網絡接口打包后發送到異地存儲器；（2）本地網絡接口搬運本地存儲器的數據到異地存儲器：由本地DSP配置本地網絡接口的控制寄存器，本地網絡接口根據相關配置讀入本地存儲器的數據，打包后傳輸到指定的異地存儲器中，支持數據批傳輸，傳輸過程中不需要DSP參與；（3）本地DSP讀異地存儲器：由本地DSP配置異地網絡接口，異地網絡接口根據相關配置，搬運異地存儲器的數據到本地存儲器中，支持數據批傳輸。網絡接口包括控制寄存器組、數據打包模塊、數據包解析模塊、輸入輸出FIFO、數據選擇判定模塊等。其中，控制寄存器組包含目的地址寄存器、源地址寄存器、搬運控制寄存器、寫控制寄存器、中斷狀態寄存器、中斷使能寄存器、中斷屏蔽寄存器，主要負責生成數據傳輸地址、傳輸控制信息、中斷信息、數據包信息。寫打包模塊主要負責把本地DSP直接往異地存儲器寫的數據打包，其接收本地DSP直接發過來的目的地址、包個數信息、待傳輸數據，分別打包生成頭包和中間包，然后發送到輸出FIFO。搬運打包模塊主要根據控制寄存器組生成的相關控制信息，從本地存儲器中讀入待傳輸數據，打包后發送到輸出FIFO，支持數據批傳輸，傳輸過程中不需要本地DSP參與。輸出數據緩沖、輸入數據緩沖是數據FIFO，主要負責數據發送和接收時的緩沖。數據包解析模塊包括VC0解析模塊和VC1解析模塊，主要接收輸入FIFO送過來的數據包，VC0解析模塊接收來自虛擬通道0的數據包，VC1解析模塊接收來自虛擬通道1的數據包，數據解析模塊對接收到的數據包進行解析后，根據數據包中的目的地址信息，把數據寫入本地存儲器的對應地址中，并根據數據包中的中斷信息更新中斷狀態寄存器，產生相應的中斷給本地DSP。數據選擇判定模塊根據數據解析模塊生成的控制信號，把來自虛擬通道0和虛擬通道1的數據存入各自的目的地址。

2.1數據包結構

本地處理器系統中的數據通過AHB總線傳輸，而片上網絡中的數據以數據包的形式傳輸，數據的打包與數據包的解析由網絡接口完成。網絡接口將AHB總線的數據和地址格式轉化為Router能識別的數據包格式。頭Flit主要包含標志位、控制信息和目的存儲器地址信息，數據Flit主要用來存儲需要傳輸的數據。

2.2數據發送邏輯

根據功能，網絡接口主要劃分為以下幾個部分：AHB數據輸出到Router的數據發送邏輯；Router數據包輸入到AHB的數據接收邏輯；網絡接口直接讀存儲器并發送數據到Router的數據搬運邏輯。數據發送邏輯負責把數據打包后發送到路由節點，主要通過以下三個步驟實現數據發送：（1）配置寫目的地址寄存器；（2）配置寫控制寄存器；（3）DSP核通過AHB總線發送數據給網絡接口。數據發送邏輯整體結構如圖5所示。MUX根據讀使能信號選擇將Core發送的數據或者網絡接口讀自MEM的數據發送到數據打包模塊中。只要網絡接口有讀請求，則輸入數據選擇AHBRDDATA，否則選擇AHBWRDATA。數據打包模塊主要負責將接收的數據打包成Router能識別的數據包，數據包控制位有電源管理位、有效位、VC位、頭Flit位、目的地址位、方向位等。打包模塊將數據包發送到深度為16的輸出FIFO中，該FIFO只有在不空且Router能接收數據包時才能進行RD操作，將數據包發送到路由。與Router的握手控制模塊由Router輸入的flow_ctrl_in信號控制，該模塊中設計了一個計數器，計數器計數范圍等于Router輸入端口FIFO深度，網絡接口每發送一個數據到Router，Router的flow_ctrl_in信號就進行一次反饋，計數器自動計數，若Router的FIFO已滿，則網絡接口不能發送數據，直到Router能再次接收數據。

2.3數據接收邏輯

如圖6所示，數據接收邏輯主要負責接收Router發送過來的數據并進行數據包解析，將有效數據通過AHB總線發送到本地存儲器。路由數據包有VC0和VC1兩種類型，根據數據包VC位（即bit34）判定數據包來自哪個虛擬通道，輸入FIFO接收來自不同虛擬通道的數據，并根據虛擬通道位的值分別發送到VC0和VC1的解碼邏輯中解碼，把有效數據發送到總線。輸入FIFO存入Router數據后，只有當網絡接口不對本地存儲器進行RD操作時，才會根據數據輸出選擇邏輯的data_sel信號，選擇是輸出VC1還是VC0的數據，該數據位寬是36位，與Router數據位寬相同。VC1和VC0數據分別有自己的數據解析模塊，該模塊主要工作原理如下：若接收的Flit是頭Flit，即數據[32]位為“1”，則記錄該數據包的bit[31:0]位到寄存器中，這32位數據作為該數據包的目的地址基址；若接收數據不是頭Flit，表示該數據包內數據是需要存入本地存儲器的數據，數據解析邏輯將其中的bit[31:0]位提出并存入寄存器；并且目的地址自動增加偏移地址。根據data_sel信號，選擇輸出VC0還是VC1的數據和地址。有一種特殊情況，數據地址是網絡接口搬運控制寄存器(地址寄存器、源地址寄存器)的地址，那么該數據將會存入指定寄存器中。當數據搬運寄存器組配置完成后會啟動數據搬運操作，也就是異地核讀本地存儲器操作。

2.4數據搬運邏輯

數據搬運邏輯的主要功能是搬運本地存儲器數據到異地存儲器中，支持批量傳輸模式。數據搬運邏輯結構如圖7所示，數據搬運工作步驟如下：（1）配置數據搬運源地址寄存器，該寄存器中存的地址是本地存儲器的本地地址；（2）配置數據搬運目的地址寄存器，該寄存器中存的地址是全局地址；（3）配置數據搬運控制寄存器，該寄存器由兩部分組成，bit[31]是使能位，bit[9:0]是數據Flit個數位。整個數據搬運邏輯工作原理如下：本地DSP核通過AHB總線或者其他核通過路由傳輸數據，給數據搬運控制寄存器配置讀取請求信息，使得網絡接口作為Master通過AHB總線對本地存儲器進行讀操作。網絡接口讀取本地存儲器中對應地址的數據，并將讀取的數據發送到讀功能實現邏輯，進行數據打包等一系列工作，并將數據包發送給FIFO，由其發送給路由。網絡接口搬運過程中使用的FIFO和本地核寫操作使用的FIFO是同一個，但是網絡接口讀操作優先級更高，如果網絡接口正在進行讀操作，Core數據寫入操作將暫停，直到網絡接口讀操作完成才繼續執行。

2.5中斷系統

網絡接口完成數據傳輸任務后，通過中斷系統通知本地DSP核，由DSP核產生相關響應。網絡接口中包含中斷信息輸入寄存器、中斷信息輸出寄存器、中斷使能寄存器、中斷屏蔽寄存器、中斷狀態寄存器等寄存器。在網絡接口進行數據傳輸前，需要預先配置好中斷信息輸入寄存器，中斷使能寄存器和中斷屏蔽寄存器。網絡接口發送數據后，會自動發送一個中斷信息包，該包中含中斷信息輸入寄存器的內容。接收端網絡接口根據中斷信息包的內容及中斷使能情況決定是否產生中斷。

3仿真驗證

網絡接口在完成RTL設計及模塊級仿真后，集成到3×3二維mesh結構的NoC中，并完成系統級仿真驗證。網絡接口在NoC中主要負責本地系統和router之間的數據轉換和傳輸，因此在系統仿真中主要測試在各核進行數據傳輸時，網絡接口的數據轉換和交換是否正常，包括其三種傳輸模式。

4結論

本文所設計的網絡接口支持單周期完成數據打包工作，并把數據包傳輸到路由節點中，只要路由節點中的FIFO不滿，數據包就可以連續傳輸，保證了數據的傳輸效率。同時網絡接口設計支持數據批傳輸，在需要大批量的數據傳輸時，由網絡接口本身完成，不需要處理器參與，節省了處理器資源，提升了整個系統的處理效率。網絡接口設計完成后，集成到整個NoC系統中并通過了系統仿真，確保了功能的正確性。

參考文獻：

[1]段宜賓，王曉東，唐磊.片上網絡關鍵技術及仿真方法研究[J].通信技術，2009,42（12）.

[4]朱小兵.片上網絡路由算法研究[D].西安：西安電子科技大學碩士學位論文，2009.

[5]張香香.片上網絡虛通道分配算法研究[D].西安：西安電子科技大學碩士學位論文，2012.

[6]杜高明，李向陽.基于多路徑路由片上網絡的低功耗聯合編碼電路設計[J].微電子學與計算機，2017,34.

[7]王璐.基于OCP-IP協議的片上網絡接口設計[D].西安：西安理工大學碩士學位論文，2013.

作者：王勝；屈凌翔 單位：中國電子科技集團公司第五十八研究所