摘要：多核處理器已經成為處理器的主流，并發展成為各種通信與媒體應用的主流處理平臺。通訊結構是多核系統中的核心技術之一，核間通信的效率是影響多核處理器性能的重要指標。目前有3種主要的通訊架構：總線系統結構、交叉開關網絡和片上網絡。總線結構設計相對方便、硬件消耗較少、成本較低；交叉開關是適合用于構建大容量系統的交換網絡結構；而片上網絡是更高層次、更大規模的片上網絡系統，目前可以解決多核體系結構問題，是多核系統最有前途的解決方案之一。文中在分析了NoC結構的基本原理、系統結構和功能的同時，也提供了部分單元的設計實現。

　　關鍵詞：多核處理器；核間通信；總線結構；交叉開關；片上網絡

　　在處理器的發展中，提高處理器主頻的實現愈加困難，市場上難以看到芯片主頻率高于4 CHz的傳統單處理器。以Intel、AMD公司為代表，依靠不斷提高處理器頻率提升系統性能的時代即將成為過去。究其原因有3點：首先僅依靠提升主頻難以大幅度提升CPU的性能，從而減緩了消費者對高頻CPU的熱衷；其次當CPU主頻達到2 GHz以上時，處理器功耗也達到了近100 W，這是目前風冷散熱技術的極限；第三，在嵌入式產品領域，傳統的單核處理器結構，不能滿足呈幾何級數增長的計算規模的需求。單核模式下，利用局部性能提升整體性能的發展越來越慢，而基于多核的線程級并行技術卻為性能提高提供了動力，為達到更高的處理效能，多核處理器體系結構應運而生。

　　多核處理器是一個芯片內含有兩個或兩個以上的“執行內核”。多核處理器在進行體系結構的技術研究時，比單核處理器，要面臨更多的挑戰，諸如核間通訊、存儲器體系、低功耗、軟硬件協調等。如何實現多核內核之間相互協作和通信，確保提高處理速度、提高芯片處理器性能，是核間通訊結構研究的主要內容。在多核通訊方式中，目前除繼續沿用單核SoC中的總線結構，如AMBA，CoreConnect，Wishbone，OCP，C*BUS等，主要有交叉開關（Crossbar Switch）、片上網絡（NoC，Network on-Chip）等結構。其中NoC結構是更高層次、更大規模的片上網絡系統，目前可以解決多核體系結構問題，是多核系統有效的解決方案之一。

　　1?? NoC解決的問題及其優點

　　隨著工藝的進步，產品的性能、面積、功耗以及上市時間的限制，使設計開發的要求越來越高。深亞微米設計帶來的問題，使得設計中保證時序收斂更加困難。NoC（Network on-Chip）的出現為深亞微米的SoC帶來了持續發展的動力。NoC是更高層次、更大規模的片上系統，是片上的網絡系統。NoC技術的核心思想是將計算機網絡技術移植到芯片設計中，解決多CPU的體系結構問題。由于網絡結構本質就是多CPU系統，因此基于網絡的體系結構是多CPU系統最有前途的解決方案之一。片上網絡繼承了分布式系統與計算機網絡的概念，互連結構具有各通信模塊之間并行通信，數據的通信帶寬高，擴展性好，吞吐量大，并可以在一定程度上改善深／超深亞微米條件下信號傳輸線延遲等優點，有人稱NoC會成為下一代多核的主流互連結構。

　　1．1 NoC解決的問題

　　NoC解決的問題主要體現在通訊模塊的可重用性和通訊性能的可預測性上。

　　（1）增加通訊模塊的可重用性。一般SoC概念中，可重用性是IP模塊的復用。基于模塊的設計方法，能夠增強設計的可重用性，進而減小制造工藝同設計能力之間的差距。可重用技術的優越性在于以基于模塊的設計，搭建整個系統，減少單獨開發每個部件的設計時間，同時減少人為設計的出錯可能，因此降低了系統的設計和驗證時間。但是當制造工藝發展到0．13μm以下后，模塊間的互連延遲成為限制系統整體性能的瓶頸，僅靠IP模塊的復用已遠不能滿足整體性能的需求，片上網絡結構正是利用通信部件的可重用技術，將不同資源單元之間的路由連接通過規則的通信部件進行連接，為深亞微米技術帶來的問題提供解決方案。

　　（2）加強通訊性能的可預測性。片上網絡因其規則的物理布局和通信網絡結構，通信性能變得可預測。從物理性能的角度分析，片上網絡結構決定了其版圖物理性能的可預測性。除時鐘、電源布線外，交換單元間的互連長度以及帶寬都是同定不變的，而設計的不確定性和不規則性都限制在資源單元內部，對于其他資源單元沒有造成影響；從設計和驗證時間角度分析，片上網絡基于模塊的可重用性使得設計和驗證的時間都可預測，由于片上網絡結構的規則性，將任務分配等設計問題劃分到了資源單元內部，進而將整體應用劃分為獨立任務。這樣使得片上網絡系統的設計在較大程度上獨立于具體的實現階段，更好地進行模塊化沒計，增加了通訊性能的可預測性。

　　1．2 NoC的優點

　　NoC設計采用全局異步局部同步的方式解決了整個芯片全局同步面臨的問題，有較好的可重用性和可擴展性，平均通信帶寬較高。在NoC中，處理核與網絡的通訊是通過簡單的握手協議來完成的，因此網絡與各處理器的電氣參數、時鐘信號都可以相對獨立處理，容易控制。此外網絡與處理器間也可以使用異步通訊，這就不需要系統時鐘的全局同步，避免了龐大時鐘樹所帶來的時鐘和面積問題，而局部時鐘線的大量采用可以大幅降低系統功耗。

　　NoC的各同步單元在遵守通信協議的前提下協同工作，如有NoC系統有擴展的需要，只需增加一個系統中已經存在的通信開關的副本，同時設計一個通信接口，把擴展的功能單元集成到NoC的網絡拓撲中就可完成。NoC有可復用可擴展的通信機制，同時改用全局異步局部同（Glo bal Asynohronized Local Synchronized，GALS）方式工作，沒有全局的控制信號的干預，所以NoC的可擴展性好。

　　衡量NoC性能的主要指標就是通信帶寬。NoC采用全局異步局部同步的通信方式，雖然得到了一些好處，但缺點也明顯，例如實時通信帶寬不能達理想高度。但從整個NoC的平均通信帶寬上看，全局的平均通信帶寬比基于總線方式的平均通信帶寬高。總之隨著工藝集成度的逐漸提高，NoC在解決全局時鐘同步問題、深亞微米效應、擴展性和設計與生產之間的鴻溝上都優于傳統設計方法。

　　2?? NoC的拓撲結構

　　拓撲結構關心的是節點的布局和互連。NoC拓撲結構的選擇對系統性能和芯片面積有明顯的影響。NoC可根據應用的需要采用不同的拓撲結構，可分為規則結構、非規則結構等。相對于規則拓撲結構，不規則拓撲結構可以提高性能、降低功耗、減小面積，但同時產生版圖設計、不均勻的線長等設計問題。拓撲結構的衡量標準通常是以理論上影響路由成本和性能為基礎，除了要考慮普通網絡中所關心的節點數量、邊的數量、網絡維度、網絡直徑、平均距離、對分寬度之外，還要考慮通信模式的嵌入屬性，例如消息吞吐量、傳輸延遲、功耗、芯片而積等。