專利名稱：消息傳遞式片上網(wǎng)絡(luò)仿真器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軟件無線電和集成電路仿真的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是片上網(wǎng)絡(luò)的仿真構(gòu)架、 仿真流程和仿真工具。
背景技術(shù)：
深亞微米技術(shù)推動了片上系統(tǒng)的發(fā)展，集成電路集成規(guī)模和密度迅速增加，片上處理核 間的數(shù)據(jù)通信壓力顯^增長，成為了片上系統(tǒng)性能的瓶頸。傳統(tǒng)的資源競爭性的總線結(jié)構(gòu)已 不再適應(yīng)片內(nèi)通信的需求。片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)成為片上通信的有效、靈活和可擴展的解決方 案。NoC系統(tǒng)不同于宏觀網(wǎng)絡(luò)，其可用資源極為有限。為了最有效地利W資源，面向應(yīng)用 的NoC成為研究重點。然而由于結(jié)構(gòu)的可變性和應(yīng)用的復雜性，很難通過數(shù)學建模估算面 向應(yīng)用的NoC的性能，因此近年來面向應(yīng)用的NoC的仿真方法、仿真工具被廣泛研究。
通過査新和廣泛收集文獻資料，我們發(fā)現(xiàn)已經(jīng)公開的NoC仿真工具有如下幾種
參考文獻A. Jalabert， S. Murali, L. Benini， G. D. Micheli, xpipesCompiler: A Tool for Instantiating Application Specific Networks on Chip. Proceedings'of the conference on Design, automation and test in Europe. February 16-20， 2004.,.禾卩參考文獻'S.Murali, G.D.Micheli. SUNMAP: A tool for automatic topology selection and generation for NoCs, In Proceedings of the 41st Design Automation Conference (DAC). pp.914—919. 2004 ,提出了.xpipesCompiler,這是為 自動實例化一個特定應(yīng)用的NoC而開發(fā)的一種標準設(shè)計工具。它通過輸入文件來實例化一 個特定的NoC的拓撲結(jié)構(gòu)。但由于仿真器的流模型是統(tǒng)計的，，用戶需要在仿真之前，根據(jù)
處理元的各自應(yīng)用，抽象出通信流的統(tǒng)計模型。
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參考文獻M. Coppola, S. Curab M. D. Grammatikakis, G. Maruccia^, F. Papariello. OCCN: A Network-on-Chip Modeling and Simulation Framework, Proc. .Design, Automation and Test in Europe (DATE 04)， IEEE CS Press, 2004, pp.l74-179.提出的OCCN是一種基于SystemC庫的、
自頂向下分層地描述Noc系統(tǒng)的工具，關(guān)注于應(yīng)用^:件和片上通信網(wǎng)絡(luò)的連接。
某些文獻也將主要應(yīng)用于宏觀網(wǎng)絡(luò)研究的OPNET和NS-2作為NoC系統(tǒng)仿真器。盡管 宏觀網(wǎng)絡(luò)仿真工具具備設(shè)計有限狀態(tài)機和一些特定通信流模型的能力，能夠方便地模擬網(wǎng)絡(luò) 拓撲結(jié)構(gòu)，但它們無法模擬出有效的系統(tǒng)時鐘。另外，開放式IP核接口協(xié)議(OCP)為NoC 在系統(tǒng)級上的點到點通信提供了一種自頂向下的設(shè)計方法，而且這種方法也提供了一組能加 速硬件通信行為仿真的可配置協(xié)議棧，但它對NoC仿真缺乏交換和路由特征的構(gòu)建。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述仿真方法的局限性，我們開發(fā)了一種自頂向下的仿真構(gòu)架，實現(xiàn)了基于 SystemC的消息傳遞式NoC仿真器。
SystemC語言作為0++語言的一個程序庫，能模擬精確的時鐘和支持高層次的抽象模 型，可以用來設(shè)計軟硬件有效協(xié)同的系統(tǒng)。另外與大多數(shù)關(guān)注于寄存器傳輸級(RTL)和行 為級的硬件描述語言相比，SystemC具有更高的仿真效率。本消息傳遞式NoC仿真器涵蓋 了 NoC系統(tǒng)中從應(yīng)用層到物理層的所有層次，而不是僅僅局限于某些特殊層。特定的信息 流可以載入到NoC中并行處理，處理元之間的通信遵循消息傳遞接口協(xié)議(MPI)。每條指 令的執(zhí)行時間通過SystemC中的vra//函數(shù)調(diào)用來精確分配，從而保證了時鐘精確性。對統(tǒng)計模型使用自頂向下的消息傳遞式NoC仿真器具有許多優(yōu)勢。第一，消息傳遞式 NoC仿真器能更準確地仿真實際通信流特征。由于同質(zhì)系統(tǒng)(即各處理元同質(zhì))的許多并 行應(yīng)用具有對稱性，也就是每一進程往往是同時執(zhí)行同樣的操作(比如包發(fā)送、包接收或計 算)，造成了在某個瞬間交叉開關(guān)(Crossbar)嚴重擁塞而其他時間空閑的情形，這樣對每個 處理元采用獨立的泊松過程或其他隨機過程作為流模型并不精確。即使是異質(zhì)系統(tǒng)(即各處 理元異質(zhì))中，處理元之間的連接依然很緊密。比如說，進程A只有當接收到進程B的數(shù) 據(jù)之后才能進行下一步的處理。本仿真構(gòu)架由于融合了高層的結(jié)構(gòu)和高層的業(yè)務(wù)流量描述， 因此能夠更精確地仿真這種情形。第二，傳統(tǒng)的仿真流程往往是在獲取網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的信息 前將高層應(yīng)用抽象成數(shù)據(jù)傳輸率，然而網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)也會影響數(shù)據(jù)傳輸率，所以如果缺乏網(wǎng) 絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的信息，將導致數(shù)據(jù)抽象不精確。另外，時延、數(shù)據(jù)差錯重傳也會影響到應(yīng)用的 模型抽象。本仿真器構(gòu)架則將網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與高層統(tǒng)一仿真。第三，消息傳遞式NoC仿真 器能對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的功耗進行更為精確的估算?；ミB鏈路上的瞬時功耗與鏈路上的活動因 子fl成正比，并且與鏈路和晶體管中的比特翻轉(zhuǎn)率直接相關(guān)。目前許多NoC的流模型在比 特間不包含相關(guān)信息的時候?qū)?視為常數(shù)。而實際上，當數(shù)據(jù)包中的比特間相關(guān)性為O時， "為50%;比特間相關(guān)性非0時，"為一變值。本仿真器結(jié)合具體的流量進行功耗估算， 能夠得到更加精確的結(jié)果。第四，消息傳遞式NoC仿真器提供了一種NoC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上并行 算法的仿真方法。由于仿真器模擬了系統(tǒng)時鐘，因此保證了評估并"算法的準確性，這是傳 統(tǒng)的從應(yīng)用中抽象出流模型無法實現(xiàn)的。


圖1是消息傳遞式NoC仿真器分層結(jié)構(gòu)。 圖2是消息傳遞式NoC仿真器仿真流程。 圖3是網(wǎng)絡(luò)信息文件結(jié)構(gòu)示意。
l是應(yīng)用層，2是接口層，3是網(wǎng)絡(luò)層，4是鏈路層，5是高層應(yīng)用文件，6是MPI庫文 件，7是網(wǎng)絡(luò)適配器髙層描述文件，8是網(wǎng)絡(luò)適配器RTL級描述文件，9是網(wǎng)絡(luò)拓撲信息文 件，IO是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)文件，ll是交換節(jié)點結(jié)構(gòu)文件，12是鏈路特性文件，13是功耗估計文件， 21是網(wǎng)絡(luò)信息文件，22是應(yīng)用輸入文件，23是生成器，24是仿真器，25是SystemC庫文 件，26是追蹤文件，27是仿真結(jié)果文件。
具體實施例方式
NoC系統(tǒng)的每一層在消息傳遞式NoC仿真器中都具有對應(yīng)的設(shè)計模塊來完成其特定的 功能，如圖1所示。高層利用0++語言描述，而低層使用RTL描述和具有精確時鐘特征的 SystemC語言描述。在鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，消息傳遞式NoC仿真器使用寄存器傳輸級(RTL) 建模完成精確時鐘仿真；這兩層描述了交換節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)拓撲和鏈路物理特征。接口層包含 MPI庫、網(wǎng)絡(luò)適配器的RTL描述以及高級抽象描述。該層利用SystemC例化了低層的結(jié)構(gòu) 并使得它們能夠被高層調(diào)用，是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用之間的接口；另外，該層用SystemC實現(xiàn) 的MPI庫包含用MPI標準定義的通信函數(shù)。應(yīng)用層建立在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和接口層之上，通過調(diào) 用MPI庫提供的通信函數(shù)，屏蔽掉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，消息傳遞式NoC仿真器包含生成器和編譯仿真器，因此仿真流程也就分 為兩個相應(yīng)的步驟。第一步，生成器生成與網(wǎng)絡(luò)特征相關(guān)的文件，并通過用戶定義的輸入文 件生成高層應(yīng)用文件等。第二步，SystemC庫、MPI庫和設(shè)計模塊載入編譯仿真器，并與第 一步生成的文件一起編譯和仿真，而仿真后的結(jié)果作為相應(yīng)的輸出文件。
由前所述，應(yīng)用輸入文件遵守MPI標準。傳統(tǒng)的計算機MPI程序設(shè)計，并未考慮各處理元由于-分配的處理負載造成的處理時延。但是在NoC系統(tǒng)中，由T處理速度和負載的不 同，導致處理元的處理時延相差較大，需要對每一并行的應(yīng)MJ指令都調(diào)用SystemC庫的wazY 函數(shù)，以仿真出處理的真正執(zhí)行時間，然后每一指令被分配對應(yīng)的時延。網(wǎng)絡(luò)信息文件不僅 提供網(wǎng)絡(luò)拓撲信息、交換節(jié)點以及處理元的特征，也包含互連鏈路的物理特征，比如位寬、 線長等。生成器通過鏈路模型計算鏈路延遲和誤比特率。
下文將通過一個實例來具體說明消息傳遞式片上網(wǎng)絡(luò)仿哀.器的使用步驟與功能特性。 假設(shè)要生成一個包括兩個交換節(jié)點和兩個處理元的簡單拓撲。兩個交換節(jié)點通過一條互迮鏈 路連接，而每個交換節(jié)點分別連接到一個處理元，互連線路包含兩條虛通道。此網(wǎng)絡(luò)拓撲的 網(wǎng)絡(luò)信息文件主耍部分如圖3所示，由三個部分組成。第一部分描述交換節(jié)點，包括交換節(jié) 點各自的坐標和處理時鐘(單位ns)。為了研究二維或更高邏輯維數(shù)的NoC拓撲，NoC拓 撲的維數(shù)可以在網(wǎng)絡(luò)信息文件預先指定(圖3沒有示出)。因為圖3中描述的是二維拓撲， 所以每個結(jié)點由兩個坐標值確定。由于NoC系統(tǒng)大量采用全局異步/局部同步(GALS)體 系結(jié)構(gòu)，這樣每個交換節(jié)點和處理元可能擁有各自不同的處理時鐘，因此每一交換節(jié)點和處 理元的處理時鐘頻率要獨立設(shè)置。第二部分提供了交換節(jié)點間的連接信息。NoC拓撲通常 用有向圖來進行分析，即一對雙向互連的交換節(jié)點擁有不同的物理特性，例如位寬、長度、 延遲等。每一連接每一方向都可以獨立地規(guī)定各自的物理特性。第三部分給出了處理單元的 信息。與交換節(jié)點間的互連相比，交換節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)適配器間互連線的長度較短，因此誤比特 率也非常低，所以消息傳遞式NoC仿真器的交換節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)適配器之間線路將近似采用無 錯誤無延遲的模型。
在向生成器輸入前述網(wǎng)絡(luò)信息文件后，如圖2所示，生成器將依次產(chǎn)生四種文件。其 中，網(wǎng)絡(luò)拓撲信息文件包括用全局常量描述的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息。處理元和交換節(jié)點可以訪問該 文件，執(zhí)行相關(guān)拓撲的操作，比如計算路由、決定交叉開關(guān)控制器的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)文件提 供網(wǎng)絡(luò)拓撲的結(jié)構(gòu)級描述，用于仿真器編譯和仿真NoC系統(tǒng)。處理元和交換節(jié)點不能訪問 該文件。高層應(yīng)用文件是將用戶輸入的用于仿真的高層應(yīng)用輸入文件進行格式轉(zhuǎn)換，以使其 符合本仿真器的格式；鏈路特性文件是通過輸入的網(wǎng)絡(luò)信息文件計算出鏈路的延時誤碼等特
性與模型，以在仿真器中進行模擬。
在生成器生成了前述的各類文件之后，用戶需要調(diào)用仿真器，并新建工程再加載這些 文件進行仿真。消息傳遞式NoC仿真器所使用的仿真平臺加載了 SystemC庫的0++編譯器， 如turbo C++， g++, Visual C十+等。
NoC系統(tǒng)的模塊以一種模塊化設(shè)計的形式組織起來。消息傳遞式NoC仿真器提供了所 有模塊的原型，但用戶也可以用自己設(shè)計的模塊替代這些原型，以評估其設(shè)計模塊的性能。 另外，用戶可以在追蹤文件中指定需要監(jiān)控的信號和變量，從而將這些信號與變量存成通用 的.vcd文件，可以使用各種工具進行驗證分析。
權(quán)利要求
1、消息傳遞式片上網(wǎng)絡(luò)仿真器，包括分層結(jié)構(gòu)、仿真器構(gòu)架、仿真流程。分層結(jié)構(gòu)有應(yīng)用層、接口層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。仿真器構(gòu)架由生成器、編譯仿真器兩部分構(gòu)成。仿真流程分成三步1.生成器根據(jù)用戶輸入的高層應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)信息的描述生成編譯仿真器可編譯或可訪問的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層描述文件；II.編譯仿真器將第一步生成的文件與SystemC庫、各種網(wǎng)絡(luò)基本元件描述、功耗估計文件等一起編譯；III.仿真完成后形成性能統(tǒng)計結(jié)果和信號跟蹤記錄。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消息傳遞式片上網(wǎng)絡(luò)仿真器，其特征在于涵蓋了片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 中自頂向下、從應(yīng)用層到鏈路層的所有層次，將高層應(yīng)用、接口層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層統(tǒng) 一考慮，對高抽象級和寄存器傳輸級進行統(tǒng)一建模。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消息傳遞式片上網(wǎng)絡(luò)仿真器，其特征在于采用消息傳遞接口(MPI)作為各種并行程序的通用通信接口，避免高層各種并行程序使用不同的通信接 口對仿真造成的不便，以提高仿真架構(gòu)通用性。 "
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消息傳遞式片上網(wǎng)絡(luò)仿真器，其特征在于每條指令的執(zhí)行時間 通過SystemC中的wa/f函數(shù)調(diào)用來精確分配，從而保證了時鐘仿真精確性。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種針對片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)的自頂向下的基于消息傳遞接口(MPI)的分級仿真架構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)有應(yīng)用層、接口層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。仿真器構(gòu)架由生成器、編譯仿真器兩部分構(gòu)成。對于特定應(yīng)用的NoC系統(tǒng)，將應(yīng)用層至網(wǎng)絡(luò)層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)綜合考慮，對高抽象級和寄存器傳輸級進行統(tǒng)一建模；處理器核間通信采用適合并行處理的MPI標準接口，以提高仿真架構(gòu)通用性；提供對指令執(zhí)行時間的精確分配與仿真。本發(fā)明涉及一種消息傳遞式片上網(wǎng)絡(luò)仿真器。
文檔編號H04L12/26GK101420449SQ20081014766
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者翔 凌, 李忠琦, 胡劍浩, 陳亦歐, 黃婷婷 申請人:電子科技大學