高速系統單晶片-Mercurius於嵌入式系統單晶片雛型驗證平台Concord II驗證及網路式路由器-AnyNoC之實現

Translated title of the thesis: Verification of High Performance SoC-Mercurius on Embedded MPSoC Rapid Prototyping Platform-Concord II and Implementation of Network-on-Chip Router-AnyNoC
  • 陳 立偉

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

現今電子消費市場可明顯看出通訊、數據、影音等?多?能已整合進單一裝置,以智慧型手機為例,手機整合各種晶片來處理多媒體應用,如錄影、照相、微型投影和擴增實境(Augmented Reality,AR)。加上4G/WIFI/LTE無線寬頻技術的快速發展,對於資料傳輸的頻寬要求比起以往強烈?多。 同時,在電信、娛樂多媒體或手持行動裝置領域上,隨著半導體技術的持續成長,眾多矽智財(silicon intellectual property,SIP)供應商致力於開發多?能、高效能且省電的矽智財,如DSP、GPU、WIFI,其可重複使用(reusable)、可修改(programmable)的模組特性,大幅縮短系統單晶片(System-on-Chip,SoC)的設計時程。然而矽智財供應商卻面臨了難題,矽智財能否在各種環境中相容。當系統設計者希望快速整合各種矽智財時,定義一種標準匯流排協定即成為了最有效率的方法,讓矽智財供應商生產的矽智財具有可攜性(portable)。 嵌入式系統整合軟體、硬體與行動應用,系統底層以匯流排負責各個矽智財的溝通,為了創造流暢的使用者體驗(User Experience),高效率的匯流排是設計系統單晶片的關鍵。總結前段所述,如何讓矽智財之間相容、快速傳遞封包並且合理的區域化分配,是當前匯流排的重要議題。 如今系統單晶片整合越來越多矽智財,匯流排擴充性及特定矽智財的高效能需求,成為傳統匯流排面臨的挑戰。根據本實驗室學長的提出的Mercurius高速匯流排架構,其交易效能比傳統匯流排快三倍,本作除了利用完整的嵌入式系統驗證外,也進一步改善前作的?能與效能,在一般交通流量下使效能提升到傳統匯流排的五倍,並設計應用於網路式晶片(Network on Chip)的路由核心(router core),稱之AnyNoC,其具有前作的低延遲、高傳輸量、擴充性。以虛擬點對點(virtual point-to-point)的封包傳輸通道,同時接收所有輸入埠(ingress port)的資料,且立即傳送所有封包至輸出埠(egress port),避免多個裝置進行存取時的匯流排競爭,大幅提升矽智財之間的頻寬。路由核心使用共享式記憶體輸出佇列封包交換技術(shared-memory output-queue packet switching)來充份利用封包緩衝區。輸出佇列架構可以消除前端緩衝佇列阻塞效應(HOL blocking),並支援多筆資料交易(multiple outstanding transaction),使系統效能達到最佳。流量控制(flow control)模組不僅在公平分配系統資源之下避免封包緩衝區溢出,更有效利用封包緩衝區,並提升系統單晶片上的服務品質(quality of service,QoS)。 本作AnyNoC中的連接設定上,相鄰的路由核心之間使用封包式傳輸,並利用適合的網路介面(network interface,NI)支援各種通訊協定(AHB、AXI、OCP)的矽智財。AnyNoC的多網段(network segment)架構可彈性擴充大量的矽智財或匯流排,在單一晶片中建立全域非同步及區域同步(globally asynchronous locally synchronous,GALS)時脈系統;各個路由核心與網路介面分別具有獨立時脈;核心與裝置之間是透過交握(handshaking)方式來互相溝通,大幅降低網路時脈樹(clock tree)結構的複雜度,亦使整體時脈樹?耗更低。且交握方式的非同步電路防止大型系統單晶片下的時鐘傾斜(clock skew),並利用非同步(asynchronous)資料緩衝區來防止因為不同時脈溝通時產生的亞穩態(metastable)輸出。
Date of Award2014 Aug 22
Original languageChinese
SupervisorWen-Long Chin (Supervisor)

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高速系統單晶片-Mercurius於嵌入式系統單晶片雛型驗證平台Concord II驗證及網路式路由器-AnyNoC之實現
立偉, 陳. (Author). 2014 Aug 22

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