两种片上多核通讯结构的fpga实现与性能评估

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1、第28卷第1期集溅：电：路：通讯薯Vol

2、28No．12010年3月jlcHENGDlANLUTONGXUNM81"．2010两种片上多核通讯结构的FPGA实现与性能评估刘艳王少轩(兵器工业第214研究所苏研中心苏州215163)摘要多核系统设计正成为目前集成电路设计的研究热点之一，多核系统的体系结构是多处理器电路最基础的问题。提高多核系统性能的关键在于核与核之间的通讯效率，本文讨论了基于总线和网络通讯的多核结构，进行了原型设计、FPGA实现，重点介绍了NoC(NetworkonChip)结构，同时在这两种结构上加载了JPEG解码算法，并进行性能评估

3、。关键词MPSoC(Multi—ProcessorSoC)总线NoC报文交换技术完成。1引言本文讨论了基于总线通讯和网络通讯的多核纳米时代的到来，使集成电路工艺特征尺寸结构，每个结构都用了四个NIOSII；21嵌人式处不断缩小，电路规模不断扩大，单颗芯片上集成的理器核，网络通讯结构的还用八个NIOS1I核实器件数目成指数倍增长，单一处理器及总线结构现，同时在这两种结构上，进行了原型设计、FPGA很难驾驭越来越庞大的电路规模。传统的SoC实现，加载了JPEG解码算法，并进行性能评估。(System—on—a—Chip)架构在提高系统整体性2基于分布式共

4、享总线的MPS0C能上已出现一些瓶颈，多核系统设计正成为目前集成电路设计的研究热点之一，多核系统的体系提高多核系统性能的关键在于核与核之间的结构是多处理器电路最基础的问题。MPSoC通讯效率，总线利用率是共享总线体系结构设计(Multi—ProcessorSoC)即多核SoC，指的是在单中各核间通讯效率能否提高的关键。本文提出一芯片上集成多个处理器的复杂SoC，由计算节了，基于分布式共享总线结构的总线系统(如图1点和通讯节点组成；计算节点完成广义的计算任所示)，该结构在传统集中式共享总线结构的基务，它们既可以是微处理器或SoC，也可以是单一础上，进行

5、了优化，采用多核点对点结构，相邻两功能的IP；通讯节点及其连线负责计算节点之间核之间通过独立的单向数据通道进行通信，对分的数据通讯，可以是总线，也可以是网络或任何其布式共享存储器读取操作实现任务传输。分布式他通讯工具¨J。共享总线通过建立专用数据通道，每一个处理器2002年之后，产业界从总线结构切入到多核芯片的设计，其后的一段时间的研究重心是基于总线结构的MPSoC技术的研究。但是随着工艺水平的快速提高，单颗芯片中集成了更多的处理器核，总线结构固有的局限性就越来越明显了。同时，随着NoC(NetworkonChip)理论的逐渐成NIOS：NIOSII

6、核DshBua分布式共享总线熟，基于网络的MPSoC再次受到更多关注。NoCLM．-本地存储器‘Sm：共享存储器是基于网络通讯的MPSoC，其通讯任务用路由和图1分布式共享总线结构第28卷第1期集成屯：路通讯49运行自己的数据集，这意味着进程级的并行，各处外，还会遇到一些无法预料的问题，因此需要开发理器核可以和相邻的存储器实现并行通讯，提高NoC原型，并评估在实际应用中NoC体系结构的各处理器核的执行并行度。性能，这对于精确的性能评估和下一步的ASIC设计预报是有必要的。本文第四部分所用的FP．3NoC原型设计GA，AlteraStratixIIde

7、vice，用硬件验证整个基于NoC由一组路由器(Router)连接了不同的NoC的互连和多核的系统时，具备足够的能力。核，通过中转消息来完成其问通信，这就提供了潜3．1NoC结构在的高带宽，低延迟和高效的片上互连，并为实现NoC原型由本地处理系统(LPS，LocalPro．全局异步本地同步(GALS，GloballyAsynchronouscessingSystem)阵列通过片上网络互连组成。该LocallySynchronous)设计提供了机会_3J。然而，网络由片上路由器阵列形成，每个路由器和它最值得关注的是，和传统的仿真方法比较，基于NoC临近

8、的四个方向的路由器直接相连，LPS要经过系统带来的设计复杂性引起了无法接受的仿真时网络接口(NI，NetworkInterface)与路由器通讯，间，而且NoC体系结构要研究各种各样的折衷方最终实现核间通讯J。该NoC体系结构原型如法，如选择合适的存储层次结构、优化路由算法图2所示，由二维网格拓扑组成互连网络。等，这使得系统设计无法完成高水平的仿真。此在该结构中，2×2的LPS矩阵和2×2的基圈2NOC于路由的互连网络是一个整体，并有四个计算节点网络接口实现的。本设计中，NI采用Avalon总线和四个通讯节点。一个LPS由一个NIOS1I核、一接口，

9、NIOS核通过访问NI中FIFO对数据包传输个中断控制器、本地存储器和一个NI组成。NIOS过程进行控制。核