片上路由器及其可靠性的研究与容错设计

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1、摘要随着半导体技术的飞速发展，单个芯片上集成的IP核数量将越来越多。而基于片上总线的SoC在设计上遇到了全局时钟难以同步、地址空间有限、无法支持多节点并行通讯以及系统扩展不够灵活等问题，严重制约了系统性能的提高。片上网络（NoC）技术将计算机网络技术引入SoC的设计领域，从体系结构上彻底解决了上述问题，并逐渐发展成为片上总线之外的一种新的通信结构，成为该领域的研究热点。目前针对NoC的研究大部分集中在对拓扑结构、路由器和路由算法等各个部件的性能优化方面。而随着系统复杂度的增加，可靠性已成为必须研究的问题。对负责片上互连通信的路由器的可靠性的研究更是重要。本文详细介绍了设计的基于2Dme

2、sh结构的片上路由器的组成结构，以及采用的传输协议，并对片上路由器的故障进行了分类。基于并行计算机中常用的路由技术，以及分布式系统中采用的容错技术，结合片上路由器的特点，提出一种基于2Dmesh拓扑结构的可重构片上路由器的可靠性设计。使用后备路径机制对路由节点、网络接口及链路等进行容错设计，当所有路由节点均故障时，系统仍能进行通信。以较小的硬件开销的代价，换取了片上网络系统可靠性较大的提高。并分析了相关的片上网络的容错路由算法，及本文设计采用的可避免死锁的路由算法。使用Java语言编写的gpNoCsim模拟器对设计进行建模及仿真，并对结果进行分析，评估容错性设计对片上路由器可靠性的提高

3、程度。关键词：片上路由器，片上网络，可靠性，容错设计，路由算法IAbstractWiththerapiddevelopmentofsemiconductortechnology,moreandmoreIPcoreswillbeintegratedononesinglechip.ButthechipbusbasedSoCdesignencountersmanyproblems,suchashardtosynchronizetheglobalclock,addressspaceislimited,cannotsupportmulti-nodeparallecommunications,as

4、wellasthesystemexpansionisnotflexibleenough.Alltheseproblemsseriouslyrestrictedtheimprovementofthesystemperformance.Networkonchip(NoC)technologyintroducedcomputernetworktechnologyintoSoCdesignfield,completelysolvedtheaboveproblemsfromarchitecture,graduallydevelopedintoanewcommunicationstructureb

5、esidesthechipbus,andbecameanewresearchhotspotinthefield.MostofthecurrentresearchesforNoCfocusonoptimizingtheperformanceofthetopology,routersandroutingalgorithm.Butasthesystemcomplexityincreases,reliabilityhasbecomeaproblemmustbestudied.Routersareresponsibleforon-chipcommunications,sothereliabili

6、tyresearchforthemismoreimportant.Thispaperdescribedthedesignofthecompositionandtransportprotocoloftheon-chiprouterbasedonthe2Dmeshstructure,andclassifiedthefaultsintheon-chiprouteraswell.Combiningthecharacteristicsoftheon-chiprouter,androutingtechnologycommonlyusedinParallelcomputerandFault-tole

7、ranttechnologyusedindistributedsystems,areliabilitydesignofareconfigurableon-chiprouterbasedona2Dmeshtopologyhasbeenproposed.Abackuppathmechanismisassumedtoimplementthefault-tolerantdesignofroutingnodes,networkinterfaces,lin