基于OPNET的环网NoC结构的仿真与实现

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1、基于OPNET的环网NoC结构的设计与仿真17基于OPNET的环网NoC结构的设计与仿真*基金项目：国家自然科学基金(90607008);西安应用材料创新基金(XA-AM-200615).作者简介：郝鹏,硕士研究生,主要研究方向计算机应用技术;张丽果,博士研究生,主要研究方向电路与系统、NoC设计与验证;杜慧敏,教授,主要从事SoC和NoC的形式化设计与验证;韩俊刚,教授,博士生导师,主要从事SoC的形式化设计与验证,计算机应用技术等研究.郝鹏1张丽果1,2杜慧敏1韩俊刚1,21西安邮电学院ASIC设计中心，西安7100612西安电子科技大学微电子学院，西安710071摘要：本文提

2、出一种环状的NoC拓扑结构，该结构中链路具有两组环网，每组由一条数据环和一条控制环所组。针对于这种结构，提出了时隙控制、优先级机制以及路由策略等算法，并在OPNET的建模环境下完成了6个结点和16个结点的建模，根据仿真结果分析了该结构的延迟与链路利用率的性能。仿真结果表该结构具有避免拥塞、活锁和死锁等优点。关键词：片上网络OPNET环网时隙控制路由分配建模1引言片上网络NoC（Network-on-Chip）是利用计算机网络技术移植到芯片设计中的思想以解决复杂SoC（System-on-chip）所面临的问题[1,2]。目前，对于NoC体系结构相关技术与性能的研究，除理论分析研究外

3、，仿真与测试是分析其性能的主要方法，相应的仿真测试手段主要有基于FPGA[3]，SystemC[4]，OPNET[5,6]等。由瑞典Linköpings大学正在研究用FPGA实现SoCBUS网络结构的NoC[7]；由意大利Bologna大学和美国Stanford大学联合研发的XPipes是一个可综合的高性能的NoC，其XpipesCompiler工具就可以输出一个SystemC的NoC设计[8]；利用OPNET是从软件仿真的角度对NoC的相关技术和性能进行描述和分析。OPNET是一种主流网络仿真软件，其中，OPNETModeler是其核心部分，其功能强大，接口友好。OPNET仿真环

4、境包括进程、结点和网络三个层次，反映了网络的相关特性，并且其丰富的统计量收集和分析功能，能够方便的得出仿真结果进而进行分析[9]。目前，国际上有一些研究者将OPNET用于片上网络的仿真，验证NoC。本文利用OPNETModeler提供的仿真环境，建立了环网NoC的虚拟场景，描述了其网络行为，从而收集了所需要的参数，进而通过仿真验证了我们提出的NoC的各种机制，主要分析了整个网络结构的延迟与链路利用率等性能。2环网NoC概述2.1环网NoC的结构基于OPNET的环网NoC结构的设计与仿真17本文所提出的环网NoC结构是一种双层双环结构，共分为两组环，每组包含一条数据环和一条控制环，两

5、组环的方向相反，我们分别称之为正环，反环。正环为主干环，反环为备用环，在链路正常情况下，数据环的正反环同时用于通信，而控制环只有正环使用；当链路发生错误时，反环代替正环进行通信。在链路正常情况下，数据优先使用正环通信，当正环链路被占用，再使用反环通信。网络中的每一个结点分别由一个IP核和一个交换单元构成，IP核的主要作用是产生包，并将包发送到对应的交换单元，IP核的发包是受到时隙控制的，时隙控制将在下一小节进行叙述。交换单元主要完成数据和控制链路的通信、路由功能。控制链路采用包交换的方式传递控制包，用于选择路径。而数据链路采用电路交换的形式传递数据包，数据包则根据同源的控制包所选择

6、的路径进行传递。2.2环网NoC所涉及的算法根据上述的环网NoC的结构，本文所涉及到的算法主要有时隙控制、优先级机制以及路由分配算法。时隙控制是利用时分复用的思想，整个网络都在一个时钟的控制下进行通信。优先级机制是指在分配带宽时，根据网络中结点的编码，赋予每个结点不同的优先级。路由分配是在根据每个交换单元中所保存的路由表对每个请求路径的结点分配带宽的算法。图1路由分配算法流程图（1）时隙控制算法：环网NoCIP核的发包是受到时隙控制的，时隙分为数据时隙和控制时隙，数据时隙与控制时隙相互配合从而使整个网络的通信同步进行。假设环网有n个结点，则一个数据时隙等于n个控制时隙之和。一个控制

7、时隙的时间是一个控制包完成从源结点发出，最后又回到源结点的时间。在时隙的控制下，控制环的通信与数据环的通信是同时并发进行的，当前控制时隙，控制环上所完成的寻路的工作，是为下一个数据时隙数据环上的通信做准备的。即：第i个数据时隙对应的控制时隙决定第i+1个数据时隙数据环上的通信。而且每一个数据时隙结束的同时，网络上交换单元内的路由表都会被重新初始化。（2）基于OPNET的环网NoC结构的设计与仿真17优先级机制：对网络中所有的结点赋予一个4位的二进制数作为编码，同时该编