摘要：多核處理器已經(jīng)成為處理器的主流，并發(fā)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(tǒng)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(tǒng)結構、交叉開關網(wǎng)絡和片上網(wǎng)絡?？偩€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(tǒng)的交換網(wǎng)絡結構；而片上網(wǎng)絡是更高層次、更大規(guī)模的片上網(wǎng)絡系統(tǒng)，目前可以解決多核體系結構問題，是多核系統(tǒng)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(tǒng)結構和功能的同時，也提供了部分單元的設計實現(xiàn)。

　　關鍵詞：多核處理器；核間通信；總線結構；交叉開關；片上網(wǎng)絡

　　在處理器的發(fā)展中，提高處理器主頻的實現(xiàn)愈加困難，市場上難以看到芯片主頻率高于4 CHz的傳統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)品領域，傳統(tǒng)的單核處理器結構，不能滿足呈幾何級數(shù)增長的計算規(guī)模的需求。單核模式下，利用局部性能提升整體性能的發(fā)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(nèi)含有兩個或兩個以上的“執(zhí)行內(nèi)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(zhàn)，諸如核間通訊、存儲器體系、低功耗、軟硬件協(xié)調(diào)等。如何實現(xiàn)多核內(nèi)核之間相互協(xié)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(nèi)容。在多核通訊方式中，目前除繼續(xù)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(wǎng)絡（NoC，Network on-Chip）等結構。其中NoC結構是更高層次、更大規(guī)模的片上網(wǎng)絡系統(tǒng)，目前可以解決多核體系結構問題，是多核系統(tǒng)有效的解決方案之一。

　　1 NoC解決的問題及其優(yōu)點

　　隨著工藝的進步，產(chǎn)品的性能、面積、功耗以及上市時間的限制，使設計開發(fā)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(xiàn)為深亞微米的SoC帶來了持續(xù)發(fā)展的動力。NoC是更高層次、更大規(guī)模的片上系統(tǒng)，是片上的網(wǎng)絡系統(tǒng)。NoC技術的核心思想是將計算機網(wǎng)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(wǎng)絡結構本質就是多CPU系統(tǒng)，因此基于網(wǎng)絡的體系結構是多CPU系統(tǒng)最有前途的解決方案之一。片上網(wǎng)絡繼承了分布式系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡的概念，互連結構具有各通信模塊之間并行通信，數(shù)據(jù)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(yōu)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(xiàn)在通訊模塊的可重用性和通訊性能的可預測性上。

　?。?）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?；谀K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?？芍赜眉夹g的優(yōu)越性在于以基于模塊的設計，搭建整個系統(tǒng)，減少單獨開發(fā)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(tǒng)的設計和驗證時間。但是當制造工藝發(fā)展到0．13μm以下后，模塊間的互連延遲成為限制系統(tǒng)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(wǎng)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(guī)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。

　?。?）加強通訊性能的可預測性。片上網(wǎng)絡因其規(guī)則的物理布局和通信網(wǎng)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(wǎng)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(guī)則性都限制在資源單元內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)絡結構的規(guī)則性，將任務分配等設計問題劃分到了資源單元內(nèi)部，進而將整體應用劃分為獨立任務。這樣使得片上網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計在較大程度上獨立于具體的實現(xiàn)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(yōu)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