片上网络架构下多核处理器系统的设计

论文摘要

随着集成电路的工艺制造技术、封装测试技术和设计方法学的进步,晶体管的尺寸越来越小,芯片开发者能在芯片上使用的晶体管越来越多,也因此能容纳更多的电路。而伴随着超大规模集成电路设计的进步,将有更多的IP核集成到同一个SoC芯片上,多核处理器系统（MPSoC）已成为未来嵌入式领域发展的趋势。但是当单个芯片上集成数以百计的IP核时,传统的总线在设计上遇到了全局时钟难以同步、地址空间有限、无法支持多节点并行通行等问题,为了解决这些问题,人们提出了一种全新的总线结构——NoC。NoC的核心思想是将计算机网络技术移植到芯片设计中来用以解决多核处理器系统间的互连通信问题,从体系结构上彻底解决通讯的瓶颈问题,它以分组交换作为基本通信技术,采用全局异步局部同步（Globally Asynchronous Locally Synchronous , GALS）的通讯机制。本文在此背景下,分析了NoC的相关技术,设计了一种基于2D Mesh网络拓扑结构的片上网络架构,完成了交换节点、资源网络接口、总线仲裁模块和串口模块的设计,并实现了XY维路由算法。另外,根据ATA/ATAPI-6协议和802.3协议,本文设计了硬盘控制器和以太网控制器。最后本文搭建了一个以2D Mesh片上网络为架构,以硬盘控制器、以太网控制器为外设的多核处理器系统,并在Xilinx公司大学计划推出的Xilinx XUP Virtex-II Pro开发板上进行了验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 SoC 产生的背景
• 1.1.2 SoC 的主要技术和面临的问题
• 1.1.3 片上网络（NoC）简介[4][5]
• 1.2 IEEE802.3 协议介绍
• 1.2.1 以太网的体系结构
• 1.2.2 以太网数据帧格式
• 1.3 ATA/ATAPI-6 协议介绍
• 1.3.1 物理层的主要内容
• 1.3.2 传输层主要内容
• 1.4 FPGA 简介
• 1.4.1 FPGA 的概念
• 1.4.2 FPGA 设计流程
• 1.5 课题实验平台及工具软件介绍
• 第二章 NOC 体系结构设计
• 2.1 NOC 的通信协议
• 2.2 基于通信的NOC 设计流程
• 2.2.1 NoC 设计
• 2.2.2 关键技术
• 2.3 NOC 的拓扑结构
• 2.3.1 传统的总线结构
• 2.3.2 NoC 拓扑结构分类
• 2.4 NOC 的路由算法
• 2.5 交换节点（SN）的设计
• 2.5.1 系统分析与设计
• 2.5.2 系统仿真与验证
• 2.6 资源网络接口（RNI）的设计
• 2.6.1 系统分析与设计
• 2.6.2 系统仿真与验证
• 2.7 多核处理器（MPSOC）的体系结构设计
• 2.7.1 MicroBlaze 处理器的设计
• 2.7.2 NoC 主干网的设计
• 2.7.3 NoC 功能子网的设计
• 第三章 资源节点——以太网控制器的设计
• 3.1 系统分析
• 3.2 系统设计
• 3.3 系统仿真与验证
• 第四章 资源节点—硬盘控制器的设计
• 4.1 系统分析
• 4.2 系统设计
• 4.3 系统仿真与验证
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读研究生期间发表过的论文