芯片互连技术(二)—片上网络NoC总线

总线是芯片架构中非常核心的概念。例如，一个SoC芯片分为很多模块或子系统，如处理器、内存控制器、GPU、ISP等，通过总线把它们连接在一起，此即芯片架构。

芯片内的总线互连常见的有：处理器核之间的互连、处理器核与内存的互连、处理器与缓存的互连、缓存与缓存之间的互连、处理器和I/O之间的互连、处理器与各种专有硬件加速模块之间的互连、DMA和内存的互连等。狭义的总线互连仅仅指通过简单总线接口连接多个组件，简单总线是一种临界资源，组件需要抢占到总线才能发起访问；而广义的总线互连泛指用于组件之间的互连结构。

芯片间的总线互连有：两个CPU之间的互连、CPU和异构GPU等加速器之间的互连、CPU和NIC等I/O设备之间的互连、加速器之间的互连、加速器和I/O设备之间的互连等。

下面介绍几种芯片互联结构。

片上网络NoC总线

随着芯片的集成度越来越高，芯片内连接的处理器核及其他硬件模块的数量越来越多，模块间的通信带宽也越来越大，芯片内总线上的访问变得非常拥挤。NoC是一种扩展性很好的互连结构，相比于传统的交叉开关，NoC可以连接更多的组件。NoC从计算机网络中获取灵感，在芯片上实现类似网络的架构，每个模块都连接到片上路由器，而组件传输的数据则是一个一个的数据包，这些数据包通过路由器送达到目标模块。

如图所示，IP Core为NoC互连的组件，NI为接入NoC的接口，R为NoC中的路由器，物理链接（Physical link）为路由器之间的连接总线。

典型的2D mesh的4X4 NOC网络拓扑结构图

NoC的优势主要体现在如下两个方面。

·高可扩展性。NoC类似计算机网络的结构，当互连的组件增加时，NoC的互连复杂度并不会增加很多。而传统的简单总线和交叉开关随着互连模块的增多，其互连复杂度呈指数级增加。

·分层设计。NoC的物理层、传输层和接口是分开的，用户可以在传输层方便地自定义传输规则，而无须修改模块接口，传输层的更改对物理层互连的影响也不大，因此不会对NoC的时钟频率造成显著影响。

AMBA 5 CHI协议可提供网络和数据中心等基础设施应用所需的性能和规模。AMBA 5 CHI协议可在单个片上系统扩展32个或更多处理器。

AMBA 5 CHI协议随着组件数量和流量增加依然能够保持性能。CHI分层架构如图所示，CHI提供了高频率、无阻塞的数据传输，并且是一种分层架构，非常适用于打包的NoC。AMBA 5 CHI协议提供了流控制和服务质量（QoS）机制，可以控制分配由许多处理器共享的系统资源，不需要详细了解每个组件及其交互方式。

CHI分层架构

CHI拓扑如下图所示，由于CHI规范将协议层和传输层分开，因此它允许不同的实现方式，以在性能、功率和面积之间实现最佳折中。设计人员可以从任何范围的Noc拓扑中进行选择，从交叉开关到高性能的大规模网状网络。CHI规范中包含了某些与拓扑相关的优化，以使电路实现更有效。目前常用的SoC互连有三种方式：

交叉开关（crossbar），这种结构相对简单，互连部分延时小，多用于数量不多的组件互连，缺点是如果互连组件太多，这种结构的内部走线会非常多，不利于物理实现，比较常见的crossbar类型IP如ARM公司的NIC-400。

环形网络（ring），折中考虑了互连组件数量和延时，有利于中等规模的SoC设计，比较常见的ring类型IP如ARM公司的CCN。

二维网格（mesh），这种拓扑结构可以提供更大的带宽，而且是可以模块化，通过增加网格的行或列来增加更多的节点，ARM的CMN-600就是基于mesh的互连IP。

CHI拓扑

在构建CHI系统时，将有不同类型的节点（如处理器、加速器、I/O和内存）连接到NoC络。CHI系统中的节点如下图所示。在较高级别上，CHI系统存在如下三种基本节点。

·RN（Request Node，请求节点）：生成协议事务的节点，包括对互连的读取和写入，这些节点可以是完全一致的处理器或I/O一致的设备。

·HN（Home Node，主节点）：位于互连中的节点，用于从RN接收协议事务。HN是系统的一致性点，可以包括系统级缓存和/或探听过滤器，以减少冗余探听。

·SN（Slave Node，响应节点）：接收并完成来自HN请求的节点。SN可以在外围或主存储器中使用。

CHI系统中的节点

NoC只是一种总线架构，而不是一种总线标准，各公司的NoC总线都有自己独特的实现。很多公司的NoC总线都只用于自己的芯片产品，把NoC总线作为IP对外出售的主要供应商是Arteris，国内外很多公司都采用Arteris的FlexNoC系列IP。

Arteris FlexNoC如图所示。Arteris FlexNoC系列NoC具有很好的扩展性，支持10～100个节点的连接，并且广泛支持和AMBA系列总线的互连及互操作性。此外，FlexNoC总线支持硬件的缓存一致性，能够在不同组件的缓存之间高效地共享数据。FlexNoC支持灵活的总线拓扑，如Tree、Ring和Mesh等。

Arteris FlexNoC系列NoC互连IP

文章转载自公众号：智车Robot