SoC設計中的片上通信體系結構研究

自20世紀70年代以來的大多數時間內，超大規模集成電路器件的特征尺寸以每三年70 9／6的速度縮小，從而使得數目越來越多的晶體管可以集成在同一顆半導體芯片上制造。由于具有速度、價格、面積、功耗和上市時間上的優勢，基于IP核復用技術的SoC設計逐漸成為超大規模集成電路設計的一個重要領域，特別是SoC給無線通信、多媒體和消費類電子領域的設計提供了一個性價比更好的集成解決方案。而在SoC設計中，片上通信的研究是國內外SoC設計基礎研究中的關鍵技術之一。

1 片上通信體系結構技術介紹
國內外片上通信體系結構的研究主要有五種：共享總線結構、片上網絡結構、交叉開關、點到點通信和混合片上通信結構。
共享總線的互連方式可以分為：單總線、多總線和層次化總線。共享總線式的片上通信主要由公司開發并廣泛應用于實際的SoC設計中，如IBM的CoreCon-nect總線互連框架、ARM公司的AMBA總線，以及其他一些公司的總線等，同時國內的高等院校也有對共享總線式的片上通信的研究，例如西安電子科技大學的科學基金項目“高性能SoC異步互連技術研究”，南京大學的科學基金項目“動態可重構SoC：中數據通信問題的研究”等。仲裁器是共享總線中的關鍵技術之一，現有的仲裁器的優先級策略包括靜態優先級策略、時分多路優先級策略和基于隨機數的彩票優先級策略的研究。盡管共享總線互連結構能夠適合大量的應用并被采用，但是它也存在一些問題。首先SoC中具有各種各樣的IP模塊，每個模塊都有各自的通信要求，而通常的單總線結構在同一時刻僅能授權一個發出請求的主設備占用共享總線，因此限制整個SoC的性能。同時，隨著SoC的規模越來越大，總線結構的長互連問題、深亞微米技術下的串擾問題以及壓降問題，都表現出來。
近幾年，已有國內外學者提出采用計算機網絡的互連通信技術進行SoC的片上網絡設計與研究，這種片上網絡結構能夠極大提高多處理器SoC的性能。然而相當于共享總線結構來說，同時帶來了較大的硬件和延遲開銷。2002年Standford大學的De Micheli提出了采用將計算機網絡互連技術使用到SoC設計中。他認為片上網絡可以為SoC帶來更高帶寬的通信鏈路和易于擴展的節點，同時，采用該技術可以提高SoC的服務質量(QoS)。對于片上網絡，現在的研究主要集中在片上網絡(NOC)的結構、通信協議、高層次綜合和設計自動化。近年來，多種基于報文交換網絡的片上網絡互連結構被提出，其中較多被研究的包括二維網格NoC、可擴展的可編程片上網絡SPIN等。