MPNoC設計中的面向對象層次化建模思想

劉 贏 王 易 周 健

[摘要]通過對大量現有多處理器片上網絡結構(MPNoC)的研究，提出將面向對象的思想引入NoC的設計中，并進一步將面向對象程序設計的三大特點：封裝性，繼承性和多態性應用到NoC設計當中，不僅提高Noc設計的靈活性，可重用性和可擴展性，而且大量縮短NoC模塊的設計時間。

[關鍵詞]面向對象MPNoC建模思想

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)1020100--01

一、引言

在多處理器片上系統(MPSoC)飛速發展的今天，多處理器片上網絡結構(MPNoC)的設計優化慢慢成為MPSoC發展的瓶頸，隨著片上網絡(Network on Chip)的多樣化，現今沒有一個統一的成熟的平臺和技術來評價和優化片上網絡結構，使得NoC的設計結構不清晰?？芍赜眯圆?，設計周期長，所以近年來，對片上網絡設計的優化慢慢的引起了大家的重視，其中引入面向對象思想到片上網絡設計相信將成為下一代片上網絡設計的一個趨勢，早在1994年Kumar[1]就點明了面向對象建模技術對提高硬件設計性能的重要性，如，提高模型的可更改性，新模塊的結合性，提高模塊劃分，復用的能力和加速通用模塊的專業化等，隨后1996年w，Nebel和G，Schumacher[2]將面向對象的技術作為一種可以提高硬件設計生產力的手段來分析。前人的研究表明，將面向對象的思想應用于硬件設計是可能的，并且也是硬件設計發展的一個方向。

下面將首先介紹一種用于NoC設計的面向對象層次化模型[3]，然后分別從其封裝性，繼承性和多態性對其進行分析，最后進行總結。

二、NoC的面向對象層次化建模

片上網絡系統通常都包含多個不同功能的硬件單元模塊，這些單元模塊間通過復雜的交互來完成片上系統的通信，下面講解怎樣通過面向對象的思想來設計出常用的片上網絡基礎模塊，然后通過面向對象思想的繼承性和多態性對其進行擴展，這樣，不僅能將面向對象設計的優點應用到硬件設計中，而且能很大程度的縮短片上網絡系統的開發時間。

為了使片上網絡的面向對象建模有較高的重用性，基礎類庫的設計是關鍵，本節的重點將在使用面向對象思想建立NoC設計的基礎類癢。有了這個基礎的類庫，許多經典的片上網絡模型都能建立，如經典的單總線結構。

圖1中首先表示出了4種基本的片上網絡模塊類型——連接(Link)，數據緩沖(Buffer)，接口(Interface)，控制器(Scheduler)，使用它們和它們的子類，可以組建現今一些經典的片上網絡系統，比如單總線結構。連接(Link)用于將片上網絡的各功能單元模塊連接到一起；數據緩沖(Buffer)用于暫時的存儲數據；接口(Interface)用于將單純的數據交換轉換成相應的具體操作，比如總線請求，封裝數據包i控制器(Scheduler)用于決定哪個模塊享有對共享資源的使用權，以保證整個系統有序的執行。

不難發現上述4個基礎模塊類包含一些共同的特性，比如時鐘信號，數據位寬，所以使它們實現了同一個接口類(ClockModule)，該接口提供了cycleProcess()方法，該方法在接口中只有聲明沒有定義，需要在4個基礎模塊類中給出實現，通常該方法表示在一個時鐘周期內接收數據，改變模塊狀態或者輸出數據。4個基礎模塊類在繼承同一接口類的同時，每個模塊類都有自己的獨有的屬性，比如連接(Link)需要有更復雜的功能，需要位寬(bitWidth)，時延(latency)屬性和配置這些屬性的公有方法(1inkConfig())。

下面將分別從面向對象的三大特點：封裝性，繼承性和多態性來分析上述片上網絡的面向對象層次化模型，上述面向對象的設計方法是獨立于編程語言的，它可以應用于各種面向對象語言和平臺，但為了表述清楚，下面的偽代碼結構使用SystemC 2.0。

(一)封裝性

面向對象編程思想中，封裝指的是使對象成為黑盒的概念，這樣使用者使用對象時只需要知道其公有接口(公有函數)，使用它們來操作對象屬性，而不能隨意修改對象的私有屬性，增加了程序的安全性。在模式方面。這一概念就變成了創建一個類型：類型是預先定義的，并且只要引用該類型就可以很容易地在任何地方創建和交換數據，完成該類型模塊功能。

現在創建一個連接(Link)類型，它指明了連接必須包含輸入端口(portIn)，輸出端口(portOut)，位寬(bitWidth)和時延(1atency)屬性，并且位寬和時延是私有成員，只能通過公有方法來對它們操作。由此可見連接(Link)類封裝了與連接有關的信息，并提供公用的配置連接方法(1inkConflg())來配置這些參數。

class Link：public clock Module

(

public：

sc_gort port in~

sc~ort port outI

int link_config(int bit_width，int latency)；

private：

int bit widthl

int latency~

)；

以上便實現了一個Link類，該類封裝了連接(Link)的基本特性，但需要說明的是連接(Link)類型只是一個基礎類，不宜直接使用，需要其它類來繼承它，比如多路選擇器(MUX)，交叉總線(CrossBar)以實現需要的功能。

(二)繼承性

重用是面向對象設計的另一個重要特性，可以通過繼承來實現設計重用，在編程語言中，通過子類來提供這一能力。為了尋求一種片上網絡設計的靈活的可重用的面向對象層次結構，這種層次結構需要包含擴展能力，用來滿足新的設計和需求，類的繼承性就實現了這一能力，通過繼承所需的基礎類，添加自己所需的特定元素來構造新的類型，這樣給設計工作帶來了極大的方便，使編碼時間大大縮短。不僅如此，現今各大IP核廠商都提供特定功能的類庫和IP核，但是往往IP核不能滿足所有的特定需求，使用這種有繼承特性的層次化面向對象結構，繼承IP核，添加所需功能，使得IP核的靈活性增加。最后盡管廠商提供的IP核會面向不同的應用，功能特性也會有相應差別，例如速度，功耗，但對于有特定功耗要求的系統，我們可以通過“白盒”重用來構造自己所需的類，更方便的是通過不斷豐富這個類庫，以后我們將有更多的類庫可以直接使用，使得片上網絡設計更加方便，發展更加迅速。

(三)多態性

多態性意味著在不同的上下文中對某對象賦予不同的意義或用法的能力，具體而言，就是允許對象有多種形式。在面向對象語言中，具體的說，它是子類對相同操作做出不同反映的能力。例如首先定義了控制器(Scheduler)類，它包含控制模塊所具有的基本功能，請求和允許方法，仲裁器(Arbiter)和分配器(Allocator)同時繼承控制器(Scheduler)，并且都定義了沖裁(arbitrate())方法，沖裁器的arbitrate方法是用來沖裁哪個模塊能夠使用當前資源，而分配器的arbitrate方法是用來給不同模塊分配不同的系統資源，多態性在此例中就表現為當控制器指向不同子類時，程序就調用相應該子類的arbitrate方法。

三、總結

由以上分析可以看出，在硬件NoC設計中，使用面向對象設計思想，模塊的屬性得到了封裝，使得硬件設計結構更加清晰，同時提高了硬件模塊設計的靈活性和可擴展性，使得很多硬件模塊都不需要重頭開始設計，只需要繼承相關的類，稍作修改后成為所需的模塊，這樣大大的縮短硬件模塊的開發周期。