[发明专利]面向密集运算的层次化异构多核片上网络架构

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向密集运算的层次化异构多核片上网络（Network on chip，NoC）架构及其层次化存储方案，具体地说是一种能够改善NoC的通信能力、并提高其整体数据处理能力和访存带宽的异构多核系统架构及层次化存储方案。

背景技术

随着半导体工艺技术的快速发展，单芯片的集成度越来越高，多核已经成为近期芯片产业研究的热点和未来主要的发展方向。按照不同的片上互连方式，多核的体系架构可以分为基于总线的互连和基于网络的互连。前者是现有的总线体系架构的扩展，通过多总线和层次化总线等技术集成多个处理器核；而后者是近年来提出来的崭新概念，采用分组路由的方式进行多处理器核之间的通讯，克服了基于总线的体系架构的各种瓶颈问题，这种片内多处理器核通讯的体系称为片上网络（Network on Chip，NoC）。

NoC的核心思想是数据处理单元与通信架构相互分离，而其通信部分则借鉴了计算机网络技术，并将其移植到集成电路设计中来，这样便可以从体系结构上解决片上通信的瓶颈问题。图1为NoC结构示意图。以二维网格架构为例，NoC的基本结构由资源节点（Resource）、路由节点（Router）、通道（Channel）、网络接口（Network Interface，NI）和本地功能单元组成，而路由节点本身则由若干对输入/输出通道组成。近年来，各研究小组先后提出了各种NoC拓扑架构，如蜂窝架构、二维折叠环架构等等。

由NoC拓扑结构的几何特点，不难看出，在处理器核数众多且通信较为频繁的情况下，NoC架构相较于传统总线架构，优势极为明显，它能够提供一种多点并发通信的机制，各核之间通信能力得以大幅提高；除了通信能力上的需求，实际的应用也对系统的数据处理能力和访存带宽有很高的需求，例如一些运算密集的应用，它们往往要处理大批量数据的高精度复杂运算并进行频繁的数据传输，为了适应这种需求，不仅要在系统中集成多种高性能的专用计算单元，还要设计实现高效通讯网络和存储架构。基于以上的分析可知，现有的片上网络架构并不能很好地满足实际应用的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向密集运算的层次化异构多核片上网络架构，该架构可以有效地提高系统的通信性能、数据处理能力和访存带宽，更好地满足实际应用的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种面向密集运算的层次化异构多核片上网络架构，其特征在于：该架构顶层采用二维网格片上网络集成一组运算簇、转置簇、通信接口以及全局共享存储单元；底层在运算簇和转置簇内部采用总线架构；在运算簇内部总线上集成一组运算单元、运算簇内直接内存存取、运算簇内网络接口和运算簇内共享存储单元，所述运算单元包括运算簇内处理器核、协处理器和FFT加速单元，运算簇内处理器核通过运算簇内总线与运算簇内共享存储单元连接，FFT加速单元和运算簇内直接内存存取均与运算簇内共享存储单元连接，运算簇内网络接口与运算簇内直接内存存取连接；在转置簇内部总线上集成转置簇内处理器核、转置簇内直接内存存取、转置簇内网络接口和转置簇内共享存储单元，转置簇内直接内存存取与转置簇内共享存储单元连接，转置簇内网络接口与转置簇内直接内存存取连接；在每个网络节点上挂接有一个转置簇或运算簇；片上网络与外部的通信通过通信接口完成。

本发明中，与层次化架构相应地存储子系统也分为两级：簇内共享存储单元和全局共享存储单元。一组全局共享存储单元彼此之间相互独立，且每个全局共享存储单元通过多个网络接口集成到片上网络；运算簇内共享存储单元划分为相互独立的存储组，单个存储组通过簇内共享存储器地址转换与运算簇内部总线、协处理器、FFT加速单元和运算簇内直接内存存取连接。片上网络上可以挂接不定数量的转置簇和运算簇，而每个网络节点最多挂接一个转置簇或运算簇。

运算簇内共享存储单元被该簇内的处理器核、协处理器和FFT加速单元和直接内存存取访问；转置簇内共享存储单元被该簇内直接内存存取访问；全局共享存储单元被集成在片上网络上的所有运算簇和转置簇访问。在运算簇内部总线和转置簇内部总线上均集成有程序存储器、堆栈存储器、中断控制器和寄存器组。

片上网络使用网络包交换协议，运算簇和转置簇内部采用总线协议；网络包交换协议与总线协议之间通过网络接口相互转换。