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面向未来移动通信终端片上网络设计 　　摘要：随着通信技术和集成电路技术的飞速发展，功能越来越强的移动通信终端产品层出不穷。未来移动通信终端不仅要支持更高的数据传输速率，而且要融合更多的功能，同时还要支持多协议以实现无缝接入。这些特征要求使得未来移动通信终端片上系统需要集成更多的IP核，同时对IP核之间的通信协作效率要求更高。当前片上系统广泛使用的总线结构已经无法满足未来移动通信终端的上述要求，取而代之的将是片上网络结构。片上网络具有较好的可扩展性、灵活性、以及可重用性，并且可以在IP核数目增加时保持良好的性能。本文重点介绍了面向未来移动通信终端片上网络设计的几个关键技术，包括设计目标和约束条件、拓扑结构、布局、仿真等。根据这些关键技术，本文总结了面向未来移动通信终端的片上网络设计流程，详细阐述了各关键技术之间的相互关系，最后用一个例子来对该设计流程进行具体说明。关键字：片上网络；移动通信终端；设计流程；面向应用 　　 　　1　引言 　　 　　随着半导体工艺的快速发展，在一块芯片集成上亿晶体管已经成为现实。为了更加有效地在一块芯片上使用数目众多的晶体管，芯片的体系结构开始向多核发展。多核系统就是用多个低频率IP核产生超过高频率单核的处理效能，但是如何用这些IP核互连来建立有效的片上微型网络已经成为决定当前片上系统(System on Chip,SoC)性能的关键因素。传统的SoC核间互连使用的是共享总线结构，但是随着嵌入式电子产品对芯片性能需求的日益增长，总线型结构已经不再适用。首先，总线结构是采用仲裁机制指定获得总线使用权的设备，当参加竞争的设备较多时会引起严重的阻塞；其次，当片上集成的晶体管增加时，连线延迟将可能大于时钟周期从而造成时钟偏移；最后，总线结构很难甚至不能实现系统的同步。如果继续使用总线型结构，将要增加总线的频率和带宽，并且要为总线定义更多的模式以适应不同的协议，虽然可以克服设计时的复杂性，但是并不能取得良好的系统性能。 　　最近几年片上系统向着更高层次、更大规模的片上网络(Network onChip，NoC)发展，片上网络的核???思想是将计算机网络技术应用到芯片设计中来，使得核与核之间的数据交换通过用路由器连接的网络实现。片上网络结构和总线结构相比不仅具有较好的可扩展性、可重用性，而且可以在支持并行通信的同时，实现全局异步局部同步(GloballyAsynchronous Locally Synchronous，GALS)的时钟控制。其中可扩展性保证了更多IP核之间的互连，从而可以实现更多的功能扩展，这是用户对未来移动通信设备的基本要求。而可重用性对于网络的设计来说是一个很重要的设计原则，可重用性设计可以节省设计成本、提高设计的可靠性、缩短产品的上市周期。对于总线结构来说每个功能块是可重用的，但是通信结构无法重用，而片上网络只需在原系统上添加路由和相应的IP核，大大地加快了设计的进度。除此之外，由于总线结构采用媒质共享的方式实现通信，因此无法进行并行通信，而且在核与核之间的连线较长时，很难实现同步时钟控制，从而使芯片的性能受限。而片上网络结构的核与核之间是通过路由器实现互连的，因此可以实现并行通信，从而大大地增加了通信的带宽和效率。而且，片上网络结构将核与核之间的长连线用路由器之间的短连线代替，可以使用全局异步局部同步的方式进行时钟控制，这就解决了总线结构中遇到的时钟同步问题，还能在一定程度上减小通信时延，从而让系统的性能得到进一步的提高。以上这些都导致总线结构逐渐被片上网络结构所取代。 　　随着通信技术和集成电路技术的发展，用户对产品性能的要求越来越高，因此未来的移动通信设备要向着更高性能发展，也就意味着对芯片性能的要求越来越高。早期发展起来的片上网络是通用片上网络，通用片上网络结构一般是以同质IP核为基础的。虽然使用通用片上网络结构已经可以比使用总线结构取得更好的性能，但是随着用户对通信需求的日益增长和芯片上要集成的IP核的数目不断增加，通用片上网络已经无法满足系统的要求，主要表现在下面几点。首先，产品要支持更高的数据传输速率。目前的移动通信终端提供的上行和下行速率已经不能满足用户的需要，据估计，未来的移动终端传输数据的速率要达到100Mbps，是现在的100倍以上，为了同时传输这么多的数据就要提高产品的数据传输速率，提高数据传输速率就要求产品的数据处理能力以及核与核之间的数据传输速率也要进一步提高。第二，产品要融合更多的功能。现在的移动通信终端已经实现了多功能的融合包括通话、音乐播放器、照相机等，但是未来的移动通信设备将会融合更多强大的功能，例如虚拟现实、视频会议、安全监控功能等。多功能的融合意味着片上集成的IP核数目将会迅速增加，而且为了实现不同的功能未来片上网络的IP核将向异质发展