摘  要： 設(shè)計(jì)了基于FPGA的片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件平臺。系統(tǒng)由大容量的FPGA、存儲(chǔ)器、高速A/D與D/A、通信接口和一個(gè)擴(kuò)展的ARM９系統(tǒng)組成。完成了集高速數(shù)字信號處理、視頻編解碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能與一體的多核系統(tǒng)設(shè)計(jì)。針對典型的3×3 2D Mesh結(jié)構(gòu)的NoC系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了探討，闡述了NoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，并使用SigXplorer軟件對系統(tǒng)的信號完整性解決方案進(jìn)行了PCB的反射與串?dāng)_仿真。

　  關(guān)鍵詞: 片上網(wǎng)絡(luò)；信號完整性；驗(yàn)證平臺；片上端接

    中圖分類號：TN47           文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B          文章編號：0258-7998(2012)02-0117-03

        IC制造技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著芯片向更高集成度方向前進(jìn)，從而能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)到單個(gè)芯片中構(gòu)成片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）。SoC采用全局同步型共享總線通信結(jié)構(gòu)。這類系統(tǒng)由于掛在總線上的設(shè)備在通信時(shí)對總線的獨(dú)占性以及單一系統(tǒng)總線對同步時(shí)鐘的要求，使得在片上IP核越來越多的芯片中，不可避免地存在通信效率低下、全局同步時(shí)鐘開銷大等問題。

　　片上網(wǎng)絡(luò)NoC(Network on Chip)的提出有效地解決了上述問題。該系統(tǒng)借鑒了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中分組交換的通信方法，可以根據(jù)應(yīng)用靈活地采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互連片上IP核[1]。各IP核間有多條鏈路可以進(jìn)行并行通信，由FIFO跨接處于異步時(shí)鐘域中的IP核，實(shí)現(xiàn)全局異部局部同步時(shí)鐘系統(tǒng)。具有可擴(kuò)展性好、低互連功耗和低延遲等特點(diǎn)。

　　然而目前NoC還處于研究階段，國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)和院校圍繞著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、映射算法、路由算法、測試方法、路由節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)等展開研究[2]。各種基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證通常依賴于軟件建模和硬件仿真。但針對NoC具體的應(yīng)用系統(tǒng)少有報(bào)道。本文闡述了一個(gè)小型NoC系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)，對系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案、通信接口及信號完整性等問題進(jìn)行了細(xì)致地研究。通過對完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，探索了NoC系統(tǒng)應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)，同時(shí)驗(yàn)證了NoC相關(guān)理論算法與結(jié)構(gòu)、路由節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和FPGA的多核技術(shù)等。

1 硬件平臺的設(shè)計(jì)

　  NoC應(yīng)用的最終目標(biāo)是將大型的多核系統(tǒng)設(shè)計(jì)到單芯片中，使得片內(nèi)可以容納大量處理器核、專用IP核、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通信單元等。然而這類龐大的系統(tǒng)在流片之前都需要合適的硬件平臺來進(jìn)行仿真、驗(yàn)證工作。另外某些場合的NoC系統(tǒng)更可能會(huì)直接選擇使用FPGA作為其最終的硬件實(shí)現(xiàn)方案。因此基于FPGA的NoC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有實(shí)用性?？紤]到FPGA的資源限制與NoC系統(tǒng)特點(diǎn)，針對3×3 的2D Mesh結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了基于FPGA的NoC應(yīng)用系統(tǒng)框架，如圖1所示。

圖1 NoC平臺的FPGA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    圖中NoC系統(tǒng)包含9個(gè)資源節(jié)點(diǎn)，分為3行3列排列，每個(gè)資源節(jié)點(diǎn)有一個(gè)相鄰的路由節(jié)點(diǎn)R與其相連。9個(gè)路由節(jié)點(diǎn)按規(guī)則的二維網(wǎng)狀排列，由并行互連線連接構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。資源節(jié)點(diǎn)包括資源網(wǎng)絡(luò)接口SNI（Source Network Interface）、片內(nèi)存儲(chǔ)器M和IP核等。其中IP核可以是處理器核NIOS、專用IP核、DSP核，也可以是用戶設(shè)計(jì)的專用電路，而處理器核運(yùn)行所需的存儲(chǔ)任務(wù)在驗(yàn)證過程中由片外存儲(chǔ)器SDRAM和Flash實(shí)現(xiàn)；通信網(wǎng)絡(luò)包括路由節(jié)點(diǎn)R和并行互連線，路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與本節(jié)點(diǎn)相連的資源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)和相鄰路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能?；ミB線構(gòu)成路由節(jié)點(diǎn)間信息傳輸?shù)妮d體，F(xiàn)PGA內(nèi)部大量的可編程互連線可以保障路由節(jié)點(diǎn)間足夠的通信帶寬。

1.1 NoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　NoC系統(tǒng)中資源節(jié)點(diǎn)使用的IP核、路由節(jié)點(diǎn)所需的FIFO緩沖器以及大量的互連線, 對平臺的核心器件FPGA提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。以目前最先進(jìn)的FPGA來構(gòu)建大型的NoC系統(tǒng)仍顯不足，解決的方法通常由多片F(xiàn)PGA組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能?？紤]到本平臺主要由一個(gè)小型應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，以及算法和路由的驗(yàn)證等組成，采用了單片大容量器件構(gòu)成獨(dú)立的系統(tǒng)平臺，并設(shè)計(jì)了擴(kuò)展接口，可進(jìn)行多片組合實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用系統(tǒng)。

    目前,大容量可編程器件的供應(yīng)商主要有Xilinx公司、Altera公司和Actel公司。各大供應(yīng)商都提供了大容量與高速度的產(chǎn)品、完善的開發(fā)工具支持和常用IP核。綜合應(yīng)用的速度、軟核的開放性、器件的定購周期與性價(jià)比，最終選定了Altera公司Cyclone IV 系列的EP4CE115F29芯片。該器件具有115 KLE，432 個(gè)M9K存儲(chǔ)塊，4個(gè)鎖相環(huán),20個(gè)全局同步時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，780腳的BGA封裝內(nèi)提供528個(gè)用戶I/O端口[3]。

　　處理器核是多核系統(tǒng)中應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)的常用部件。作為一款32位RISC處理器，Altera提供的軟核NIOS II在僅占用3 KLE的情況下提供超過200 DMIPS的性能，并提供了豐富的外設(shè)接口IP和高性能的AVLEN總線。開發(fā)工具SoPC Builder軟件支持單芯片內(nèi)多個(gè)獨(dú)立NIOS核的定制，同時(shí)NIOS II IDE軟件提供了多核的程序開發(fā)與調(diào)試環(huán)境。因此NIOS II可以作為NoC應(yīng)用系統(tǒng)中的軟核處理器。

　  路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)NoC的通信工作，其通信帶寬與可靠性直接影響著系統(tǒng)的性能。許多研究人員深入研究了路由節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，并針對多種應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化[4]。這類優(yōu)化大多圍繞著提高通信吞吐量、減少通信延遲，解決擁塞等問題。路由的改進(jìn)給節(jié)點(diǎn)的RTL綜合提出了新的要求。例如一個(gè)緩沖式快速蟲孔交換路由節(jié)點(diǎn)，片內(nèi)設(shè)計(jì)有10個(gè)以上獨(dú)立的32×16 FIFO，然而許多的小FIFO在綜合時(shí)都會(huì)各自占用一個(gè)包含32×256 的M9K單元。造成內(nèi)部存儲(chǔ)單元的使用效率低下、資源緊缺的問題。另外由于片上網(wǎng)絡(luò)全局異步時(shí)鐘的特點(diǎn)，現(xiàn)代FPGA越來越豐富的全局時(shí)鐘樹網(wǎng)絡(luò)顯得多余而浪費(fèi)。器件供應(yīng)商們?nèi)绻茉贔PGA的設(shè)計(jì)過程中引入對這些問題的解決方案，必然會(huì)極大地推動(dòng)未來NoC應(yīng)用系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)。

1.2 基于ARM的資源網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

    ARM（Advanced RISC Machines）系列處理器因其高性能、低功耗、開放性好等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。長期的應(yīng)用開發(fā)形成了許多相關(guān)的軟硬件資源。例如三星公司的S3C24XX系列處理器，不僅提供了豐富的外設(shè)接口，移植了成熟的ARM-Linux，更可以提供完整的TCP/IP協(xié)議支持和相當(dāng)豐富的外設(shè)驅(qū)動(dòng)，加速了應(yīng)用的開發(fā)速度。NoC系統(tǒng)如能將片外的ARM處理器作為片上多核系統(tǒng)中的片外資源節(jié)點(diǎn)，充分利用現(xiàn)有軟硬件資源，將給NoC系統(tǒng)帶來巨大的應(yīng)用空間。片外硬核與NoC系統(tǒng)的信息交換，即ARM同路由節(jié)點(diǎn)的通信由專用資源網(wǎng)絡(luò)接口SNI完成。針對ARM 處理器AHB總線時(shí)序，設(shè)計(jì)了基于DMA通信的SNI單元，如圖2所示。圖中ARM的數(shù)據(jù)總線為雙向數(shù)據(jù)總線，需要通過SNIC(Source NetworkInterface Controller)的控制實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用。數(shù)據(jù)傳輸由SNIC發(fā)起，經(jīng)過nXDREQ向DMAC發(fā)送請求信號，DMAC在獲得總路控制權(quán)后發(fā)出nXDACK信號[5]。隨后AHB總線將產(chǎn)生源和目的地址的讀寫信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，最終完成一次DMA傳輸。

圖2 ARM通信接口結(jié)構(gòu)圖

1.3 外圍電路及電源設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)各類功能驗(yàn)證提供了大量的外圍電路，包括多套NIOS軟核運(yùn)行所需的存儲(chǔ)器、雙通道高速模擬信號輸入與輸出單元、攝像頭模組接口、VGA視頻輸出單元、10 M/100 M以太網(wǎng)接口單元和音頻接口單元。

    電壓要求的多樣化需要多組的電源設(shè)計(jì)，其中FPGA由1.2 V核心電壓、3.3 V與2.5 V I/O Buffer電壓、2.5 V模擬PLL電壓以及1.2 V數(shù)字PLL電壓組成。模擬PLL電壓需選用線性整流降壓得到，以獲得低紋波輸出的穩(wěn)定電壓源；其他數(shù)字部分電源適合采用開關(guān)型整流器電路供應(yīng)。例如TI的TPS54550器件,具有輸出電流大、效率高、外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)。值得一提的是,CYCLONE IV 內(nèi)部具有電壓檢測與電源管理功能，沒有上電順序要求，簡化了電源的設(shè)計(jì)。

2 信號完整性分析

    大量高速器件的采用、FPGA的高密度封裝、敏感的A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片和許多開關(guān)整流器的噪聲,這些都決定著需要對信號完整性分析予以足夠的重視。設(shè)計(jì)過程中對疊層、電源隔離、地線處理做了細(xì)致的工作。采用Cyclone片內(nèi)端接OCT（On-Chip Termination）的源端端接方案，并通過精心的布局布線，有效地克服了各種信號干擾。最后使用SigXplorer 軟件提取PCB模型對信號的反射和串?dāng)_進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的信號完整性設(shè)計(jì)。

2.1 疊層設(shè)計(jì)

　　疊層設(shè)計(jì)涉及電源與信號層的規(guī)劃、走線的密度與層數(shù)的折衷等問題。本系統(tǒng)中29×29的BGA780封裝的扇出是決定信號層層數(shù)的重要因素，假設(shè)1 mm球間距間扇出一根導(dǎo)線，在沒有考慮頂層扇出限制和扇出線物理連接限制的情況下，可以計(jì)算出528個(gè)用戶I/O端口加上少量配置線至少需要5個(gè)信號層，加上電源層后的總層數(shù)將達(dá)到8~12層，導(dǎo)致層數(shù)過大。結(jié)合加工工藝和串?dāng)_分析等情況，在允許的范圍內(nèi)盡可能降低層數(shù)的原則,最終確定間距39.37 mils扇出2根導(dǎo)線， 其中包括14 mils 的扇出過孔、5 mils的線寬和扇出線間距。采用信號1-電源-信號2-信號3-地-信號4的層疊方案。信號線線寬為5mils時(shí)的特征阻抗控制為50 ?贅。

2.2 阻抗匹配設(shè)計(jì)與仿真

　  輸出緩沖的源端內(nèi)阻、高速系統(tǒng)中傳輸線的特征阻抗以及輸入緩沖的輸入電阻間的差距帶來了信號傳輸過程中的反射。當(dāng)輸出門的信號在傳輸介質(zhì)上往返時(shí)間大于信號最小邊沿時(shí)間時(shí)，電路需采取端接來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，端接可采用末端并接電阻或源端串接電阻等方式。

　  末端端接將電阻放置于接收器端一側(cè)，驅(qū)動(dòng)波形沿傳輸線以滿幅度傳播，到達(dá)末端時(shí)由端接電阻吸收，接收電壓等于傳輸電壓。末端端接具有上升時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)，但對輸出門的驅(qū)動(dòng)電流有一定的要求，這也帶來了較大的功率消耗。

    源端端接采取控制輸出端的反射系數(shù)的方法。通過在源端串接一個(gè)電阻，使得串接電阻加上源端緩沖器的內(nèi)阻接近傳輸線的特征阻抗。Cyclone IV系列產(chǎn)品均設(shè)計(jì)了OCT功能，可以選擇使用片內(nèi)串接電阻。使用SigXplorer軟件首先提取PCB上AD9765數(shù)據(jù)線的傳輸線模型，然后與Altera提供的TTL 2.5 V串接50 ?贅電阻的IBIS模型進(jìn)行125 MHz信號的反射仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。源端信號波形的幅度由于端接電阻的分壓，在傳輸介質(zhì)上的初始信號幅度降至滿幅度信號的1/2，這1/2幅度的信號大約經(jīng)過1 ns后到達(dá)末端。由于末端數(shù)字電路輸入阻抗非常大，反射系數(shù)接近+1，從而得到1/2幅度的反射信號,與原1/2幅度信號疊加后在末端得到完整幅度的信號。反射信號再經(jīng)過1 ns延遲后回到源端，被源端端接衰減，此類端接具有靜態(tài)功率小等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 TTL 2.5 V 串接50  Ω電阻模型仿真圖

　　同時(shí)對未串接50 Ω電阻的TTL 2.5 V 模型進(jìn)行了仿真，其它仿真參數(shù)均不變的情況下，發(fā)現(xiàn)電路末端信號具有明顯過沖現(xiàn)象，如圖4所示。因而Cyclone IV的OCT技術(shù)是簡化高速線路PCB板設(shè)計(jì)、提高信號完整性最簡便實(shí)用的途徑。實(shí)驗(yàn)表明，測量結(jié)果與仿真波形接近，AD9765在最高理論速度125 MHz下工作穩(wěn)定。

圖4 TTL 2.5 V 未串接50 Ω電阻模型仿真圖

2.3 串?dāng)_仿真

    互感、互容使得相鄰傳輸線間信號相互耦合從而形成串?dāng)_，傳輸線的間距是其中最關(guān)鍵的因素。本系統(tǒng)中大多數(shù)走線間距為15 mils，無需擔(dān)心串?dāng)_問題，而BGA的扇出采用的是5 mils的間距, 并且存在許多長度在1 000 mils以上的平行線，串?dāng)_的仿真與降低串?dāng)_的影響成為設(shè)計(jì)過程中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。采用SigXplorer對相鄰BGA扇出微帶線的模型進(jìn)行了仿真,結(jié)果如圖5所示。干擾源是125 MHz的時(shí)鐘信號，被干擾線路為相距干擾線路5 mils的弱下拉平行微帶線?？梢娫诒粩_線路的源端和末端產(chǎn)生了接近200 mV的串?dāng)_，屬于電路正常工作可以接受的范圍。

    設(shè)計(jì)了基于FPGA的NoC系統(tǒng)硬件平臺，在此基礎(chǔ)上完成了一個(gè)小型的片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程中充分考慮了片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，針對典型3×3的2D Mesh結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以滿足NoC系統(tǒng)的硬件要求，同時(shí)系統(tǒng)也將作為后續(xù)NoC映射、路由及測試算法的驗(yàn)證與仿真平臺。

圖5 串?dāng)_信號仿真圖

　　NoC仍然有著廣闊的研究空間，許多新的結(jié)構(gòu)或算法將會(huì)不斷涌現(xiàn)，以及更復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的驗(yàn)證需求對硬件平臺會(huì)有更高的要求。本文對平臺設(shè)計(jì)中一些重要的問題進(jìn)行了探討， 對于后續(xù)相關(guān)硬件平臺的開發(fā)及FPGA應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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