| STNoC是一項(xiàng)非常先進(jìn)的低成本片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù),因?yàn)槟軌蛱峁﹥?yōu)化的結(jié)構(gòu)、出色的性能和模塊化設(shè)計(jì),這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)在實(shí)現(xiàn)多處理器系統(tǒng)級(jí)芯片上發(fā)揮重要作用。STNoC拓?fù)?Spidergon)基于三個(gè)基本組件：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)接口、一個(gè)帶少量緩存的高性能蟲洞路由器和一個(gè)物理通信鏈路。Spidergon采用類似于OSI的由四個(gè)網(wǎng)絡(luò)層組成的通信協(xié)議棧：物理層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。 系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)技術(shù)為開發(fā)新的先進(jìn)的工程產(chǎn)品和市場(chǎng)構(gòu)想帶來了令人興奮的機(jī)會(huì)。摩爾定律表明,CMOS的集成度將會(huì)連續(xù)不斷地提高。因此,提供新的設(shè)計(jì)方法和工具,滿足日益提高的系統(tǒng)復(fù)雜性、優(yōu)異的性價(jià)比和產(chǎn)品上市時(shí)間短的需求,是擺在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化業(yè)者面前的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。例如,半導(dǎo)體國際技術(shù)發(fā)展路線圖組織估計(jì),到2007年,多處理器系統(tǒng)級(jí)芯片(MPSoC)將集成多達(dá)數(shù)十億個(gè)頻率高達(dá)幾個(gè)GHz、工作電壓低于1V的晶體管。MPSoC包括多個(gè)存儲(chǔ)組件、通用CPU和專用內(nèi)核（如數(shù)字信號(hào)處理器或超長(zhǎng)指令字內(nèi)核）等處理器單元和嵌入式硬件(如FPGA或音視頻編解碼器等專用知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊),這些組件通過一個(gè)復(fù)雜的通信結(jié)構(gòu)相互連接在一起。 
圖1：ISO-OSI參考模型。 為了解決SoC日益提高的復(fù)雜性問題,傳統(tǒng)的片上總線架構(gòu)必須不斷地改進(jìn)。這意味每個(gè)IP模塊的總線接口必須經(jīng)常修改,而這會(huì)造成新的SoC解決方案上市時(shí)間延長(zhǎng)。此外,盡管深亞微米技術(shù)提高了金屬層的數(shù)量,但是典型金屬線的阻容延時(shí)也隨每一代制造工藝而提高。因?yàn)樽枞菅訒r(shí)、芯片工作頻率、裸片大小和普通互連線的共同影響,SoC延時(shí)、功率和面積等各項(xiàng)要求中片上總線的影響最大。 片上網(wǎng)絡(luò)模型 雖然長(zhǎng)遠(yuǎn)看來片上光通信技術(shù)的前景很好,但就中短期而言,業(yè)內(nèi)一致看好全新的片上互連架構(gòu),這種叫做片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)的技術(shù)能夠降低SoC的價(jià)格和功耗,并能提高系統(tǒng)的性能和可伸縮性。NoC技術(shù)以成本低廉的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分組架構(gòu)取代了傳統(tǒng)的總線架構(gòu),分組架構(gòu)整合了一個(gè)類似開放系統(tǒng)互連(OSI)的分層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。如圖1所示。 協(xié)議層通過詳細(xì)定義的接口相互作用,為編程人員提供了一個(gè)通信框架的抽象概念。協(xié)議棧隱藏了下面的物理層的深亞微米技術(shù)問題,使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)如服務(wù)質(zhì)量機(jī)制得以高效實(shí)現(xiàn)。在這種設(shè)計(jì)流程中,經(jīng)過驗(yàn)證的IP模塊經(jīng)過配置,可以通過自己的NoC接口與其它SoC組件通信。 自2000年起,很多科研院所提出了各種各樣的創(chuàng)新的片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),這些研究機(jī)構(gòu)包括Bologna、KAIST、KTH、LIP-6、MIT、UCSD、Manchester、Stanford、Tampere和Technion以及飛利浦研究實(shí)驗(yàn)室、意法半導(dǎo)體和VTT技術(shù)研究中心等工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室。雖然當(dāng)前的研究報(bào)告聲稱,新的片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)未來的MPSoC極具吸引力,但是有很多細(xì)節(jié)問題還尚未解決。例如,選擇適合的拓?fù)�、路由選擇和流量控制策略、隊(duì)列管理策略、數(shù)據(jù)包/消息格式和端到端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類型。 
圖2：STNoC實(shí)現(xiàn)ISO-OSI協(xié)議層的方法。 因?yàn)闇p少了網(wǎng)絡(luò)緩存數(shù)量,數(shù)據(jù)包的延時(shí)與源端和目的端之間的距離無關(guān),蟲洞路由(wormhole routing)廣泛用于NoC通信。數(shù)據(jù)包被分解成流量控制單位(flit),然后,流量控制以一個(gè)一個(gè)的flit為單位運(yùn)行。像ISO-OSI參考模型一樣,NoC設(shè)計(jì)采用了一個(gè)普通的通信分層方法。 1. 物理層是指?jìng)鞑ズ妥儞Q信息的電線和電路(驅(qū)動(dòng)器、中繼器和布線); 2. 數(shù)據(jù)鏈路層能確保即使在物理層不可靠的情況下也能可靠地傳輸數(shù)據(jù),并處理媒介訪問問題(共享或競(jìng)爭(zhēng)); 3. 網(wǎng)絡(luò)層與拓?fù)浜吐酚蓹C(jī)制相關(guān); 4. 傳輸層負(fù)責(zé)端到端服務(wù)和數(shù)據(jù)分段與重組; 5. 最后,應(yīng)用層作為適配層起到揭露硬件及操作系統(tǒng)的調(diào)用并實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的作用,例如,通過適合的并行編程模型,分布式共享內(nèi)存或消息傳遞。 ST片上網(wǎng)絡(luò)方法 ST的片上網(wǎng)絡(luò)(STNoC)方法遵循普通的片上網(wǎng)絡(luò)方法。通過采用規(guī)則的拓?fù)?挖掘IP的重復(fù)使用率,利用模塊化方法以及網(wǎng)絡(luò)分層實(shí)現(xiàn)的多個(gè)抽象層,ST的方法可望為現(xiàn)有的系統(tǒng)級(jí)芯片和未來的多處理器系統(tǒng)級(jí)芯片提供最佳的性價(jià)比。STNoC是目前ST系統(tǒng)級(jí)芯片正在使用的互連技術(shù)STBUS的換代產(chǎn)品。這意味著STNoC技術(shù)向后兼容STBUS,也就是我們可以融合匹配STBUS和STNoC技術(shù),使客戶可以完全重新使用現(xiàn)有的IP。如圖2所示,STNoC利用三個(gè)普通組件構(gòu)成了一個(gè)專利拓?fù)?Spidergon)。 1. 網(wǎng)絡(luò)接口(NI)通過把子系統(tǒng)的交易轉(zhuǎn)換成在片上網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包的方式連接各個(gè)IP模塊,NI還能使與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的屬性對(duì)傳輸層來說是不可見的,以提高IP的重復(fù)使用率,能縮減MPSoC的設(shè)計(jì)時(shí)間。 2. 路由器負(fù)責(zé)在ST的Spidergon NoC拓?fù)鋬?nèi)高效可靠地傳輸以flit為單位的數(shù)據(jù)包。STNoC路由器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,在傳輸延時(shí)和傳輸速率方面提供“盡力而為”和QoS級(jí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。 3. 物理鏈路負(fù)責(zé)路由器和/或網(wǎng)絡(luò)接口之間的實(shí)際信號(hào)傳播。物理鏈路技術(shù)的選擇,例如串行還是并行、同步還是異步,這些問題需要在芯片區(qū)域內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)分布、片上布線和所需的芯片面積之間做出均衡考慮。 STNoC拓?fù)?/strong> NoC拓?fù)涞倪x擇對(duì)MPSoC性價(jià)比具有很大的影響。為了縮短各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)間,各大研究機(jī)構(gòu)和廠商紛紛提出了具有高效緩存管理、流量控制和路由機(jī)制的普通規(guī)則拓?fù)洹? 
圖3：普通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)例。 圖3回顧了以前提出的NoC拓?fù)鋵?shí)例。這些拓?fù)涞南嗷ケ容^通常是以理論上影響路由成本和性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的,例如節(jié)點(diǎn)數(shù)量、邊的數(shù)量、頂點(diǎn)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)維度、網(wǎng)絡(luò)大小粒度、網(wǎng)絡(luò)直徑、平均距離、網(wǎng)絡(luò)中分寬度,以及針對(duì)普通通信模式的嵌入屬性。 Spidergon NoC拓?fù)淇赏诶碚摵饬繕?biāo)準(zhǔn)與最后的性價(jià)比之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡,并將SoC市場(chǎng)的商業(yè)實(shí)際要求考慮在內(nèi)。Spidergon拓?fù)浠谝粋�(gè)雙向環(huán)形結(jié)構(gòu),增加了每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其對(duì)角鄰點(diǎn)的交叉線。因此,每個(gè)到達(dá)非目的地的數(shù)據(jù)包都會(huì)順時(shí)針、逆時(shí)針或交叉轉(zhuǎn)發(fā)到最終的目的地。如圖4所示,Spidergon拓?fù)淇梢赞D(zhuǎn)換成一個(gè)實(shí)用的低成本片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)(單交叉)。 Spidergon拓?fù)涫擎溌窋?shù)量相對(duì)較少、大小粒度(叫做網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性)恒定(等于2)的頂點(diǎn)對(duì)稱的拓?fù)洹＞S度較高的拓?fù)淙?d-mesh或2d-torus沒有太大的優(yōu)勢(shì),這是因?yàn)樾〉姆欠叫尾灰?guī)則網(wǎng)絡(luò)(10到100個(gè)NoC節(jié)點(diǎn))以及實(shí)用的非隨機(jī)NoC應(yīng)用流量(如多媒體流量)的相對(duì)確定性映射降低了系統(tǒng)性能。 因此,考慮到全面的驗(yàn)證和對(duì)設(shè)計(jì)空間的探討,包括成本、功率和理論對(duì)應(yīng)用性能的衡量標(biāo)準(zhǔn),我們預(yù)計(jì)Spidergon NoC將能實(shí)現(xiàn)從今天的SoC集成產(chǎn)品發(fā)展到未來的復(fù)雜MPSoC應(yīng)用,提供性價(jià)比越來越高的并不會(huì)影響產(chǎn)品上市時(shí)間的產(chǎn)品。 
圖4：Spidergon概念上的精美圖樣轉(zhuǎn)換成了低成本的片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。 本文小結(jié) 市場(chǎng)、應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展向SoC設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。分組交換的NoC針對(duì)未來MPSoC的應(yīng)用在各種需求之間實(shí)現(xiàn)了重要的成本效益的平衡,被預(yù)見為當(dāng)今的SoC總線的自然換代技術(shù)。 STNoC由標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口、高性能蟲洞路由器和物理通信鏈路三個(gè)基本組件構(gòu)成,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用ST專有的Spidergon NoC拓?fù)�。因�?STNoC支持一個(gè)由物理層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層四個(gè)協(xié)議層組成的類似于OSI的通信協(xié)議棧。 Spidergon No面,Spidergon拓?fù)涞男詢r(jià)比高于網(wǎng)格或環(huán)面拓?fù)洹?/P> �。ㄗ髡撸篗arcello Coppola Carlo Pistritto 來源：電子工程專輯） | 
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