基于片上網絡的多核芯片組通訊方案

侯寧 盧亞鵬 張多利

摘 要： 多芯片協同工作是一種廉價、低風險的高密度計算應用解決方案。由于片上網絡（Network On Chip， NoC）的數據通訊具有并發、分離的特性，因此可以方便地在板級集成多塊NoC多核芯片協同工作，構成NoC多核芯片組，快速提供更強大的處理能力。基于某高性能圖像處理項目，其硬件系統主要由4塊NoC多核芯片構成，4塊芯片采用全互連方式，研究了報文數據在不同多核芯片間的傳輸問題，提出了一種通過硬件實現的多核芯片組通訊方案，該方案已應用在某高性能圖像處理項目。

關鍵詞： 片上網絡； 多核芯片組； 通信； 多處理器

中圖分類號：TP303 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）10-17-02

Communication solution of multi-core chipset based on NoC

Hou Ning1，2， Lu Yapeng1， Zhang Duoli2

（1. Henan University of Urban Construction， Pingdingshan， Henan 467000， China； 2. The Institute of VLSI Design， Hefei University of Technology）

Abstract： The Network-on-Chip （NoC） is a promising technique for the on-chip interconnection. The data transfer of NoC is unattached and simultaneous. Several NoC multi-core chips which cooperate with each other， called NoC chipset， set up a powerful computing system. In this paper， a communication solution is proposed， which solve the problem of the packet transfer between different multi-core chips.

Key words： network on chip； multi-core chipset； communication； multiprocessor

0 引言

由于人們對復雜應用的無限渴求，需要計算能力更強的硬件系統提供支持。考慮到單塊芯片能夠提供的計算資源有限，而重新設計功能更強的芯片將使項目成本急劇增加，風險巨大。因此多芯片協同工作就成為一種廉價、低風險的應用解決方案。

片上網絡（Network on Chip，NoC）[1-2] 將處理單元和存儲單元作為節點組件連接到NoC上，能夠提供高帶寬、低延遲和低功耗的片上通訊，是一種高效的片上互連通訊技術。由于NoC具有分離的通訊節點，因而可以很方便地將多塊NoC多核芯片集成在一塊電路板上協同工作，構成NoC多核芯片組，快速地構建起一個強大的計算系統。

本文基于某高性能圖像處理項目，其硬件系統主要由4塊NoC多核芯片構成，4塊芯片采用全互連的互連方式。針對報文數據在不同多核芯片間的傳輸問題，本文提出了一種硬件實現的多核芯片組通訊方案。

1 平臺及問題描述

成熟的處理器芯片互連技術有很多，如PCI、PCI-X[3]、PCI-Express[4]總線，以太網，以及現在廣泛使用的Rapid IO[5]等，這些互連技術功能完善，但協議以及接口電路設計較復雜。

[PU＼&＼&PU＼&＼&PU＼&＼&＼&＼&PU＼&PU＼&HSSTs＼&＼&＼&＼&PU＼&HSSTs＼&HSSTs＼&][Chip0] [PU＼&＼&PU＼&＼&PU＼&＼&＼&＼&HSSTs＼&PU＼&PU＼&＼&＼&＼&HSSTs＼&HSSTs＼&PU＼&][Chip1] [PU＼&＼&HSSTs＼&＼&HSSTs＼&＼&＼&＼&PU＼&PU＼&HSSTs＼&＼&＼&＼&PU＼&PU＼&PU＼&][Chip2] [HSSTs＼&＼&HSSTs＼&＼&PU＼&＼&＼&＼&HSSTs＼&PU＼&PU＼&＼&＼&＼&PU＼&PU＼&PU＼&][Chip3]

圖1 NoC多核芯片組示意圖

本項目中4塊NoC多核芯片集成在一塊背板中，構成NoC多核芯片組。為了簡化板級互連協議及接口電路設計，每塊NoC芯片集成了3個高速串行收發器組（high speed serial transceivers，HSSTs），實現具有全互連通訊結構的NoC多核芯片組系統，如圖1所示。其中PU（processor unit）表示片上網絡中計算節點，由處理核和路由器組成。芯片組間的通訊均為點對點通訊，協議簡單。

基于NoC的多核芯片組利用報文實現不同資源節點間的數據交換，而由于不同多核芯片的網絡坐標獨立編碼，因此不論采用何種芯片互連方式，當報文跨越不同多核芯片傳輸時，需要一種簡單易實現的路由地址變換方法，確保報文頭切片的正確傳輸。

2 路由地址變換方法

本文提出一種簡單易實現的路由地址變換方法，以解決報文在不同的NoC多核芯片間傳輸的問題。圖2為頭切片在不同子系統間傳輸過程。報文頭切片的路由地址信息域由三部分組成，分別為源節點坐標、目的節點坐標和循環移位步幅。源節點坐標只有一個，目的節點坐標的數目由報文流經的NoC多核芯片個數決定。以圖2為例，報文需要從坐標為12的源節點流經chip0、chip1，最終到達chip2中坐標為21的目的節點。整個傳輸過程中，報文共流經3個NoC多核芯片，相應的頭切片應包含3個目的節點坐標。路由器固定讀取目的節點1的坐標完成路由計算。循環移位步幅由報文需要流經的NoC多核芯片個數決定，并且每通過一個NoC多核芯片該值減1。

片間互連單元完成報文頭切片的路由地址變換操作，由輸出模塊和輸入模塊組成。輸出模塊根據循環移位步幅對頭切片的路由地址做循環移位操作，并且將循環移位步幅減1。例如在Step1，循環移位步幅為3，源節點坐標、目的節點坐標1、目的節點坐標2和目的節點坐標3執行步幅為3的循環移位操作，并且循環移位步幅由3減為2；在Step3，循環移位步幅為2，源節點坐標、目的節點坐標1和目的節點坐標2執行步幅為2的循環移位操作，目的節點坐標3不參加循環移位操作，并且循環移位步幅由2減為1。輸入模塊使用所在片上網絡的節點坐標替換頭切片中源節點坐標。例如，在Step2，chip1的互連單元坐標00替換此時頭切片源節點坐標30；在Step4，chip2的互連單元的坐標03替換此時頭切片源節點坐標33。

該路由器地址變換方案簡單且易于硬件實現，不需要軟件支持，并且該方案具有普適性，不受NoC多核芯片的數量、拓撲結構和路由算法限制。對于拓撲結構不同、路由算法不同的NoC多核芯片間通訊同樣適用。

3 通訊模塊設計

圖3所示為NoC多核芯片組的片間通訊模塊。NoC多核芯片采用Xilinx Virtex 6 FPGA設計，通過調用Aurora流模式的IP核實現芯片間互連。

圖3 片間通訊模塊設計

Aurora協議由Xilinx開發，使用一個或多個高速的串行通道構成更高速的通路。本文的設計中，每個通訊模塊包含四組高速串行收發器，可提供10Gbs的傳輸帶寬。

Aurora協議簡單，只控制鏈路層和物理層，支持用戶自定義協議。片間互連單元完成NoC協議與Aurora協議間的轉化，同時該模塊還完成報文頭切片路由地址的變換。

4 結束語

本文基于某高性能圖像處理項目，采用4塊NoC多核芯片構成NoC多核芯片組，實現了圖像處理算法的快速處理。針對NoC多核芯片組中的報文傳輸問題，本文提出了一種硬件實現的多核芯片組通訊方案，重點解決了報文頭切片在不同NoC多核芯片間傳輸過程中的路由地址變換問題。

參考文獻：

[1] Hemani， A. Jantsch， S. Kumar， et al. Network on chip： An

architecture for billion transistor era [C]. In Proceedings of the IEEE NorChip conference，2000.

[2] L. Benini， G. De Micheli. Networks on chip： a new SoC paradigm

[J]. IEEE Computer， vol. 35， no. 1，2002.

[3] MindShare. Inc， Tom.S. PCI-X system Achitecture[M].

Addison-Wesley Professional，2001.

[4] 王奇.PCI Express體系結構導讀[M].機械工業出版社，2010.

[5] M.Sam. RapidIO： The Embedded System Interconnect [M]. wiley，

2005.