网络接口设计探讨

网络接口设计探讨

摘要：与总线架构相比，片上网络具有支持并行通信、良好的可

扩展性、规则的结构、可重用性等优点。网络接口是片上网络中处理

器核与路由节点之间的接口，网络接口的数据转化和传输效率影响整

个片上网络的工作效率。研究的NoC系统采用3×3二维mesh的结构，DSP核采用AMBA总线结构，路由节点采用包交换方式，为了实现二者

之间的数据转换与交换，设计了网络接口。为了提升传输效率，网络

接口设计支持数据批传输，批传输不需DSP核参与，节省处理器资源。在完成网络接口的RTL设计后，实行了仿真验证，保证了网络接口的

功能准确性。

关键词：片上网络；网络接口；路由节点；数据包

1引言

随着片上可集成的晶体管数目越来越庞大，设计者能够在一个单

片上集成越来越多的处理器核及配套的复杂系统。但是随着处理器核

数量的增加，传统基于总线架构的SoC显现出局限性：带宽限制、可

扩展性差、设计复杂等，于是片上网络1架构应运而生。NoC2架构由

瑞典皇家技术学院率先提出，随后斯坦福大学提出了包交换技术代替

连线结构的思想3。国内参与NoC研究的高校也越来越多，如西安电子科技大学在路由算法4~5方面的研究，南京大学、哈尔滨工业大学、

合肥工业大学等都在NoC领域有所建树。针对NoC架构系统规模大、

功耗相对较高的问题，合肥工业大学提出采用总线翻转(BI)编码算法

和格雷码编码组成联合编码的方法来降低功耗6。经过十几年的发展与论证，对于NoC架构的研究也趋于成熟。片上网络的关键技术研究大

致能够分为三个方向：拓扑结构，路由器和网络接口(NetworkInterface)。从结构上来说，不管什么形式的片上网络都是

由路由模块和网络接口模块所构成的7。网络接口是NoC系统的重要组成部分，是本地子系统（处理器核）和路由节点之间的转接口，网络

接口的数据转化和传输效率影响整个片上网络的工作效率。网络接口

的主要作用是：（1）让处理器核承担最小的通讯服务任务；（2）将

处理器核与网络通信部分分离，即计算和通讯间的分离，使计算资源

对网络透明，从而实现处理器资源间的互连，且能提升设计的重用性。网络接口在处理器一侧实现了总线接口，在网络一侧实现了网络接口。网络接口主要考虑地址信号、数据的打包、解包、编码、同步等问题。本文设计的网络接口主要功能包括：对AHB总线上的数据和路由节点（Router）上的数据包（Packet）实行数据格式转化和交换；实现本

地内核到其他核存储空间的数据读写；实现本地存储空间和其他核存

储空间之间的大批量数据传输。数据批传输主要负责大规模的数据传输，由网络接口控制，不需要处理器核参与，处理器核能够继续处理

其他程序，极大地提升了处理器的效率。

2网络接口设计

本文设计的网络接口集成在一个3×3二位mesh结构的NoC中，

如图1所示，NoC系统中包含9个DSP核。网络接口(NI)连接本地DSP

系统和路由节点，负责两者之间的数据交换。网络接口负责把本地DSP 系统发过来的数据打包后发送到相连的路由节点中，数据包通过路由

网络传送到目的路由节点，再通过目的地的网络接口解析后，取出传

输的有效数据存入目的存储空间中。本文设计的网络接口支持三种数

据传输模式：（1）本地DSP写异地存储器：由本地DSP发起写数据请求，数据通过网络接口打包后发送到异地存储器；（2）本地网络接口

搬运本地存储器的数据到异地存储器：由本地DSP配置本地网络接口

的控制寄存器，本地网络接口根据相关配置读入本地存储器的数据，

打包后传输到指定的异地存储器中，支持数据批传输，传输过程中不

需要DSP参与；（3）本地DSP读异地存储器：由本地DSP配置异地网

络接口，异地网络接口根据相关配置，搬运异地存储器的数据到本地

存储器中，支持数据批传输。网络接口包括控制寄存器组、数据打包

模块、数据包解析模块、输入输出FIFO、数据选择判定模块等。其中，控制寄存器组包含目的地址寄存器、源地址寄存器、搬运控制寄存器、写控制寄存器、中断状态寄存器、中断使能寄存器、中断屏蔽寄存器，主要负责生成数据传输地址、传输控制信息、中断信息、数据包信息。写打包模块主要负责把本地DSP直接往异地存储器写的数据打包，其

接收本地DSP直接发过来的目的地址、包个数信息、待传输数据，分

别打包生成头包和中间包，然后发送到输出FIFO。搬运打包模块主要

根据控制寄存器组生成的相关控制信息，从本地存储器中读入待传输

数据，打包后发送到输出FIFO，支持数据批传输，传输过程中不需要

本地DSP参与。输出数据缓冲、输入数据缓冲是数据FIFO，主要负责

数据发送和接收时的缓冲。数据包解析模块包括VC0解析模块和VC1

解析模块，主要接收输入FIFO送过来的数据包，VC0解析模块接收来

自虚拟通道0的数据包，VC1解析模块接收来自虚拟通道1的数据包，数据解析模块对接收到的数据包实行解析后，根据数据包中的目的地

址信息，把数据写入本地存储器的对应地址中，并根据数据包中的中

断信息更新中断状态寄存器，产生相对应的中断给本地DSP。数据选择判定模块根据数据解析模块生成的控制信号，把来自虚拟通道0和虚

拟通道1的数据存入各自的目的地址。

2.1数据包结构

本地处理器系统中的数据通过AHB总线传输，而片上网络中的数

据以数据包的形式传输，数据的打包与数据包的解析由网络接口完成。网络接口将AHB总线的数据和地址格式转化为Router能识别的数据包

格式。头Flit主要包含标志位、控制信息和目的存储器地址信息，数

据Flit主要用来存储需要传输的数据。

2.2数据发送逻辑

根据功能，网络接口主要划分为以下几个部分：AHB数据输出到Router的数据发送逻辑；Router数据包输入到AHB的数据接收逻辑；

网络接口直接读存储器并发送数据到Router的数据搬运逻辑。数据发

送逻辑负责把数据打包后发送到路由节点，主要通过以下三个步骤实

现数据发送：（1）配置写目的地址寄存器；（2）配置写控制寄存器；（3）DSP核通过AHB总线发送数据给网络接口。数据发送逻辑整体结

构如图5所示。MUX根据读使能信号选择将Core发送的数据或者网络

接口读自MEM的数据发送到数据打包模块中。只要网络接口有读请求，则输入数据选择AHBRDDATA，否则选择AHBWRDATA。数据打包模块主要