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IC 设计技术中的IP 核互连
日期:2009-08-11 来源:

  1 引言


  随着半导体技术的发展,市场对集成电路产品的需求增长,以IP(Intellectual Property, 知识产权)核复用为基础的SoC(System on a Chip ,片上系统)设计方法,以其快速的产品上市时间、良好的功能可配置性成为IC 设计的重要方法。由于IP 核的设计千差万别,所以,IP 核的互连技术就成为SOC 设计中的关键技术。目前,片上总线是SOC 设计中广为使用的IP 核互连方式。当SOC 变得越来越复杂时,总线也逐渐成为限制芯片速度、功耗、面积、数据吞吐率的一个瓶颈。针对总线在IP 核互连中存在的一些问题,1999 年左右几个研究小组提出了一种全新的集成电路体系结构——片上网络(Network on Chip,NOC),就是将计算机网络技术移植到芯片设计中来,将英特网络中分层互连的思想引入到SOC 中IP 核的互连上来,OCP-IP(Open Core Protocol -Intellectual Property )的OCP 协议将IP 核和互连总线通过OCP 界面分开来,已经具备了层次化互连的理念,因此OCP 属于NOC 的技术范畴。目前法国的Arteris 公司、英国的Silistix 公司都推出了NOC 技术的相关产品。


  2 片上总线存在的主要问题


  总线结构由于可以提供高性能的互连而被广泛运用于SOC 技术,然而随着工艺技术的持续发展,出现了一些与总线相关的问题,主要表现在:


  (1)可扩展性差


    SOC 系统设计是从系统需求分析开始,确定硬件系统中的各功能模块。为了使系统能够正常工作,SOC 中各物理模块在芯片上的相对位置是一定的,总线和时钟网络以及其它全局信号总线都是针对这一具体需求进行专家级的设计,从而才使得SOC 芯片能够在深业微米效应下正确工作。一旦在物理设计完毕后,个别错误或是不合理设计的纠正过程就可能是再一次的重新设计的过程,浪费大量的人力物力。另外,如果设计需要增加某个功能模块时,可能会打乱原来的物理布局,新的物理布局可能导致必须从头设计新的系统,延缓了投放市场的时间。随着电路规模越来越大,片上集成的单元越来越多,数据处理量也越来越大,总线结构(如图1所示)的可扩展性差的问题就越来越突出。



图1 总线互联


  (2)总线平均通信效率低


  虽然总线可以有效地连接多个通讯方,但地址资源总是有限的,有限的地址资源将成为扩大电路规模的瓶颈;另外虽然总线由多用户共享,但一条总线是无法支持一对以上的用户同时通讯。即在一段时间内只能有一个功能模块独占总线,其他各功能模块只能在获得总线控制权后才能和系统中其他模块进行通信。从通信的局部看,这种结构的通信带宽也很高,实时性很好。但从系统整体考虑,这种通信结构的平均通信带宽非常低,因为一个模块控制总线通信时,系统中其他模块必须等待,传统总线结构的时间资源利用率很低。


  (3)单一时钟同步问题


  在全局同步SOC 设计中,为了尽量避免时钟偏差给电路造成同步错误,在时钟网络设计中大多采用多种时钟分布网络相结合的方法。尽管这样,基本相同的芯片在不同工艺下得到的时钟偏差仍然不同。随着工艺特征尺寸越来越小,工作频率迅速上升,达到10GHz 以后,连线延时造成的影响将严重到无法设计全局时钟树的程度。而且由于时钟网络的庞大,其功耗将占据芯片总功耗的大部分。由单一系统时钟同步全芯片的工作将极其困难。


  3 NOC 技术


  NOC 可以定义为在单一芯片上实现的基于网络通信的多处理系统。NOC 与SOC 有着本质的不同,即处理数据和通信机制,前者是多处理器系统,后者是单一处理器系统;前者使用网络通信,后者使用总线通信。从体系结构的角度来看,NOC 使用网络替代总线有如下优点:1)具有良好的地址空间可扩展性,理论上可集成的资源节点的数目不受限制;2)提供良好的并行通信能力,从而提高数据吞吐量及整体性能;3)NOC 以分组交换作为基本通讯技术,使用全局异步—局部同步(GloballyAsynchronous Locally Synchronous, GALS) 的通讯机制,每一个资源节点都工作在特定的时钟域,而不同的资源节点之间则通过通信节点及其之间构成的网络来进行异步通信,很好地解决了单一时钟同步的问题,解决了庞大的时钟树所带来的功耗和面积问题。随着SOC 中信息的传输交换越来越多,采用层次化的互连方法可以很好的解决以总线为中心互连时信息交换的瓶颈问题,目前法国的Arteris 公司、英国的Silistix 公司及美国的Sonics 公司都推出了NOC 技术相关的产品。  (1)OCP-IP 的OCP 协议


  采用NOC 技术来进行IP 核互连的理念是逐渐演进的,OCP-IP 的OCP协议将IP 核和互连总线通过OCP 界面分开来,已经具备了层次化互连的理念,因此将OCP 纳入到NOC 的技术范畴。OCP 协议的核心是在IP 核和互连总线之间引入一个事务协议层,如图2 所示,该协议定义了IP 核与对应接口模块间点到点的接口信号,除了数据和控制信号,还包括边带控制信号(sideband control )和测试信号,除了时钟外的所有信号都是点到点的同步信号。


 



图2 OCP 协议的分层互联策略


  OCP 办议在两个互连的实体间定义了一个点到点的界面。其中一个实体作为OCP 实例的主方,另外一个实体作为从方,只有主方可以发出命令,从方响应主方的命令,或是从主方接受数据,或是将数据传给主方。



图3 OCP 实体互联例图


  图3 描述了一个包括一个包装总线(wrapped bus )和三个IP 核的系统。对于包装总线界面模块而言,他要扮演OCP 协议互补的两个角色,即它既是主方,也是从方。一个传输的流程如下:系统发起方(system initiator)(作为OCP 的主方)将控制或数据信息发送给与他互连的从方;总线界面模块将请求(request )在总线上传输(OCP 自身不定义总线功能);此处,总线界面模块将请求转换为系统总线的传输;接受的总线界面模块(作为OCP 主方)将系统总线的操作转换成合法的OCP 命令;系统目标方(system target)(OCP 的从方)接到命令并对此作出反应。


  (2)NOC 的架构


  图4 示意了Arteris 公司的NOC 架构,NOC 是一个均匀的、可升级的开关结构网络(switch fabrIC network),开关结构(switch fabric ) (图 4 中IP 核互连的节点)是NOC 技术的核心,它在复杂的SOC 中传送各种各样的数据包(data packet)。



  (3)NOC 的层次在NOC 技术中,IP 核的互连采用了三层次的互连策略,如图5 所示,他们分别是事务层(Transaction)、传输层(Transport)、物理层(Physical)。


  事务层定义了IP 核之间是如何互连交互信息的。如图6 中所示的NOC 界面单元( NOC Interface Units,NIU)在IP 核之间提供事务层互连服务,NIU 将IP 核和外部的协议(如AHB) 隔离开,NIU 在两个协议间转换事务内容。一个典型的NOC 事务是由一个主NIU (master NIU)到从NIU (slave NIU )的请求和从NIU 到主NIU 的应答(response )构成。事务层将信息互换的实现细节留到传输层和物理层实现。


  传输层定义了在开关结构间传送数据包的规则,在数据包中需要一些信息(一般是在数据包的头部)来引导数据包的传输。数据包的格式是可变的,可以在不影响传输层的情况下很容易适应事务层的变化。例如数据包可以根据实际应用需求包含字节使能(byte enables)、用户等信息,而不需要改变传输规则和物理实现。


  物理层则具体定义了数据包是如何通过界面传递的,从而实现了开关结构间的互连可以在带宽、数据完整性等方面进行优化而不会影响到事务层和传输层。



图6 Arteris 公司的NOC 技术的分层详解


  4 结语


  工艺的进步和设计方法学的进步使IC 设计规模越来越大,IP 核的复用是实现SOC 的重要方式,而IP 核的复用越来越多,所以IP 核间的互联变得越来越重要。片上总线面临着一些新的问题,而全新的NOC 技术的出现,将计算机网络技术移植到芯片设计中,展示出了优于总线结构的本质和特性。可以预见,随着技术的进步,将有新的互连方法不断出现。

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