SoC(片上系统)与 NoC(片上网络)
SoC(System on chip)与NoC(network-on-chip)
NoC是相对于SoC的新一代片上互连技术,要深入了解NoC必须深刻认识SoC,故本文组织结构为:
l SoC架构
l SoC的局限性
l SoC设计流程
l NoC架构
l NOC架构优势
l NoC 和 SoC 的区别
一.SoC基本架构
典型的系统级芯片结构包括以下部分:
- 至少一个微控制器(MCU)或微处理器(MPU)或数字信号处理器(DSP),但是也可以有多个处理器内核;
- 存储器可以是RAM、ROM、EEPROM和闪存中的一种或多种;
- 用于提供时间脉冲信号的振荡器和锁相环电路;
- 由计数器和计时器、电源电路组成的外设;
- 不同标准的连线接口,如USB、火线、以太网、通用异步收发和序列周边接口等;
- 用于在数字信号和模拟信号之间转换的ADC/DAC;
- 电压调理电路及稳压器。
片上系统通讯架构(System on chip, SoC)SoC整体架构图如下:
二.SoC的局限性
目前,SoC通讯架构的设计相对比较成熟。大部分芯片公司芯片制造都采用SoC架构。然而,随着商业应用开始不断追求指令运行并存性和预测性,芯片中集成的核数目将不断增多,基于总线架构的SoC将逐渐难以不断增长的计算需求。其主要表现为:
1、可扩展性差。SoC系统设计是从系统需求分析开始,确定硬件系统中的模块。为了使系统能够正确工作,SoC中各物理模块在芯片上的位置是相对固定的。一旦在物理设计完毕后,要进行修改,实际上就有可能是一次重新设计的过程。另一方面,基于总线架构的SoC,由于总线架构固有的仲裁通信机制,即同一时刻只能有一对处理器核心进行通信,限制了可以在其上扩展的处理器核心的数量。
2、平均通信效率低。SoC中采用基于独占机制的总线架构,其各个功能模块只有在获得总线控制权后才能和系统中其他模块进行通信。从整体来看,一个模块取得总线仲裁权进行通信时,系统中的其他模块必须等待,直到总线空闲。
3、单一时钟同步问题。总线结构要求全局同步,然而随着工艺特征尺寸越来越小,工作频率迅速上升,达到10GHz以后,连线延时造成的影响将严重到无法设计全局时钟树的程度,而且由于时钟网络庞大,其功耗将占据芯片总功耗的大部分。
三.SoC设计流程
一个完整的系统级芯片由硬件和软件两部分组成,其中软件用于控制硬件部分的微控制器、微处理器或数字信号处理器内核,以及外部设备和接口。系统级芯片的设计流程主要是其硬件和软件的协同设计。
由于系统级芯片的集成度越来越高,设计工程师必须尽可能采取可复用的设计思路。现今大部分SoC都使用预定义的IP核(包括软核、硬核和固核),以可复用设计的方式来完成快速设计。在软件开发方面,协议栈是一个重要的概念,它用来驱动USB等行业标准接口。在硬件设计方面,设计人员通常使用EDA工具将已经设计好(或者购买)的IP核连接在一起,在一个集成开发环境(IDE)下集成各种子功能模块。
下图不是系统级芯片的设计流程示意图。
芯片设计在被送到晶圆厂进行流片生产之前,设计人员会采取不同方式对其逻辑功能进行验证。仿真与验证是SoC设计流程中最复杂,最耗时的环节,约占整个芯片开发周期的50%~80% ,采用先进的设计与仿真验证方法已成为SoC设计成功的关键。
四.NoC架构
Noc的发展是以SoC为基础。SoC通常是指在单一芯片上实现的数字计算机系统,通过总线完成其中各模块之间的交互,但随着半导体工艺和需求的快速发展,总线的宽度已经成为SoC发展的瓶颈,大大限制了SoC内部通信的速度。90年代NoC技术的提出也是因为借鉴了并行计算机的互联网络和以太网络的分层思想,二者的相同点有:支持包交换、路由协议、任务调度、可扩展等。NoC更关注交换电路和缓存器的面积占用,在设计时主要考量的方面也是这些。
NoC将宏观网络的通讯措施应用于芯片上,每个核当做一个独立的单元,IP核经过网络接口与特定的路由器相连。将IP核之间的通信转换为路由器与路由器的通信。通常情况下的NoC架构如下图所示:
R为路由节点,IP为计算节点。
传统的NoC架构主要由路由器节点、IP核、资源网络接口、通道组成。
1、资源节点:主要包含计算节点和存储节点。计算节点包含处理器即IP核(CPU、DSP等),存储节点包含ROM、RAM、DRAM、SDRAM等
2、通信节点:即路由节点或路由器,主要负责完成IP核之间的数据通信任务。NoC中资源节点产生一个数据包后,会通过特定的接口发送到源路由器中,源路由器会读取数据包的头微片中的地址信息,通过特定的路由算法计算出最佳路由路径,从而树立可靠的传输到目的节点,最终由目的IP核接收此信息。
3、资源网络接口:其功能就是作为通信节点与功能节点之间的接口。主要功能有完成数据包的封装与解封装,在源节点的资源网络接口中将原地址信息以及目的地址信息等封装到数据包的头微片中;在目的节点的资源网络接口中将原地址信息以及目的地址信息等删除。
4、通道:实质为双向金属链路,用以保证节点间的数据传输。分为内部通道和外部通道,内部通道为资源节点和通信节点之间的金属链路,外部通道指通信节点之间的金属链路。
五.NOC架构优势
1、良好的可扩展能力。一方面,相比于SoC架构,不在受限于总线架构,可以扩展任意数量的计算节点。另一方面,需要对系统功能进行扩展时,只需要将设计好的功能模块通过资源网络接口植入网络,无需重新设计网络整体架构。
2、较高的通信效率。一方面NoC将IP核之间的数据传输演变成为路由器之间的数据转发,IP核节约了一部分的计算资源。另一方面避免了总线架构同一时刻只能有一对通信节点进行通信的问题,可以实现同一时刻多对节点通信。
3、功耗。NoC中采用全局异步局部同步的时钟机制,其功耗开销远低于SoC。NoC中局部模块运用同步时钟域,而全局上采用异步时钟,降低了由于全局时钟同步所带来的动态开销,同时,NoC中的时钟树设计复杂度也低于SoC。
4、数据传输可靠性。随着集成电路特征尺寸的不断减小,电路规模的不断增大,互连线的宽度和间距也在不断地减小,线间耦合电容相应增大,长的全局并行总线会引起较大的串扰噪声,从而影响信号的完整性以及信号传输的正确性。同时,互连线上的延迟将成为影响信号延迟的主要因素,总线结构全局互连线上的延迟将大于一个时钟周期,从而使得时钟的偏移很难管理。
六.NoC 和 SoC 的区别
SoC:System on Chip,中文称为片上系统,主要是针对 ASIC 或者 chip 来讲的。在 ASIC 设计的早期,由于制造工艺和性能等的约束,大部分芯片都单纯地实现某个特定功能,如处理器内核、总线、内存控制器、蓝牙等都由各自独立的芯片分别实现,处理器之间的通信也以多颗芯片互连的方式实现。
随着制造工艺的提升,以及设计能力的增强,单颗 ASIC 的功能越来越全面和强大,在一颗芯片内完全可以实现诸如处理器内核、总线、内存控制器、蓝牙等所有的功能。同时,ASIC 规模增大导致设计愈来愈复杂,因此,以 IP 核互连为核心的设计方法学应用而生。
这样,就出现了在一颗芯片里集成了大量的处理器内核、总线、控制器等 IP,而处理器内核数量也由曾经的单核增大到多核、众核。在这种情况下,设计方法学完全不同于以往 ASIC 的设计方法学,因此,诞生了 SoC 的概念,以和 ASIC 进行区别。不严格地说,一颗 SoC 可以实现以前多颗 ASIC 构成的系统。
NoC:Network on Chip,中文称之为片上网络。随着 SoC 技术的发展,芯片内部的 IP 核越来越多,有可能在一颗芯片中集成了数以百记的处理器内核(包括同构处理器内核和异构处理器内核)、数以千计控制器 IP 核等等,那么这种情况下 IP 核之间的互联就成为 SoC 性能一个重要组成部分。
而 NoC 技术的诞生就是为了能够让 IP 核之间的通信能够实现高效、高吞吐量、低功耗的目的。因此 NoC 技术主要研究对象就是各种互连方法、互连结构,以及 IP 核互联网络中路由算法。NoC 技术目前还处于学术研究阶段,大部分学术论文里都是仿真结果,工业界也有应用实例,但是比较少。
参考链接:
https://blog.****.net/hulizhuzhenming/article/details/86579695
https://www.sohu.com/a/437939854_465219
https://cloud.tencent.com/developer/article/1652864
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windows下进程间通信的(13种方法)-摘 要 本文讨论了进程间通信与应用程序间通信的含义及相应的实现技术,并对这些技术的原理、特性等进行了深入的分析和比较。 ---- 关键词 信号 管道 消息队列 共享存储段 信号灯 远程过程调用 Socket套接字 MQSeries 1 引言 ---- 进程间通信的主要目的是实现同一计算机系统内部的相互协作的进程之间的数据共享与信息交换,由于这些进程处于同一软件和硬件环境下,利用操作系统提供的的编程接口,用户可以方便地在程序中实现这种通信;应用程序间通信的主要目的是实现不同计算机系统中的相互协作的应用程序之间的数据共享与信息交换,由于应用程序分别运行在不同计算机系统中,它们之间要通过网络之间的协议才能实现数据共享与信息交换。进程间通信和应用程序间通信及相应的实现技术有许多相同之处,也各有自己的特色。即使是同一类型的通信也有多种的实现方法,以适应不同情况的需要。 ---- 为了充分认识和掌握这两种通信及相应的实现技术,本文将就以下几个方面对这两种通信进行深入的讨论:问题的由来、解决问题的策略和方法、每种方法的工作原理和实现、每种实现方法的特点和适用的范围等。 2 进程间的通信及其实现技术 ---- 用户提交给计算机的任务最终都是通过一个个的进程来完成的。在一组并发进程中的任何两个进程之间,如果都不存在公共变量,则称该组进程为不相交的。在不相交的进程组中,每个进程都独立于其它进程,它的运行环境与顺序程序一样,而且它的运行环境也不为别的进程所改变。运行的结果是确定的,不会发生与时间相关的错误。 ---- 但是,在实际中,并发进程的各个进程之间并不是完全互相独立的,它们之间往往存在着相互制约的关系。进程之间的相互制约关系表现为两种方式: ---- (1) 间接相互制约:共享CPU ---- (2) 直接相互制约:竞争和协作 ---- 竞争——进程对共享资源的竞争。为保证进程互斥地访问共享资源,各进程必须互斥地进入各自的临界段。 ---- 协作——进程之间交换数据。为完成一个共同任务而同时运行的一组进程称为同组进程,它们之间必须交换数据,以达到协作完成任务的目的,交换数据可以通知对方可以做某事或者委托对方做某事。 ---- 共享CPU问题由操作系统的进程调度来实现,进程间的竞争和协作由进程间的通信来完成。进程间的通信一般由操作系统提供编程接口,由程序员在程序中实现。UNIX在这个方面可以说最具特色,它提供了一整套进程间的数据共享与信息交换的处理方法——进程通信机制(IPC)。因此,我们就以UNIX为例来分析进程间通信的各种实现技术。 ---- 在UNIX中,文件(File)、信号(Signal)、无名管道(Unnamed Pipes)、有名管道(FIFOs)是传统IPC功能;新的IPC功能包括消息队列(Message queues)、共享存储段(Shared memory segment)和信号灯(Semapores)。 ---- (1) 信号 ---- 信号机制是UNIX为进程中断处理而设置的。它只是一组预定义的值,因此不能用于信息交换,仅用于进程中断控制。例如在发生浮点错、非法内存访问、执行无效指令、某些按键(如ctrl-c、del等)等都会产生一个信号,操作系统就会调用有关的系统调用或用户定义的处理过程来处理。 ---- 信号处理的系统调用是signal,调用形式是: ---- signal(signalno,action) ---- 其中,signalno是规定信号编号的值,action指明当特定的信号发生时所执行的动作。 ---- (2) 无名管道和有名管道 ---- 无名管道实际上是内存中的一个临时存储区,它由系统安全控制,并且独立于创建它的进程的内存区。管道对数据采用先进先出方式管理,并严格按顺序操作,例如不能对管道进行搜索,管道中的信息只能读一次。 ---- 无名管道只能用于两个相互协作的进程之间的通信,并且访问无名管道的进程必须有共同的祖先。 ---- 系统提供了许多标准管道库函数,如: pipe——打开一个可以读写的管道; close——关闭相应的管道; read——从管道中读取字符; write——向管道中写入字符; ---- 有名管道的操作和无名管道类似,不同的地方在于使用有名管道的进程不需要具有共同的祖先,其它进程,只要知道该管道的名字,就可以访问它。管道非常适合进程之间快速交换信息。 ---- (3) 消息队列(MQ) ---- 消息队列是内存中独立于生成它的进程的一段存储区,一旦创建消息队列,任何进程,只要具有正确的的访问权限,都可以访问消息队列,消息队列非常适合于在进程间交换短信息。 ---- 消息队列的每条消息由类型编号来分类,这样接收进程可以选择读取特定的消息类型——这一点与管道不同。消息队列在创建后将一直存在,直到使用msgctl系统调用或iqcrm -q命令删除它为止。 ---- 系统提供了许多有关创建、使用和管理消息队列的系统调用,如: ---- int msgget(key,flag)——创建一个具有flag权限的MQ及其相应的结构,并返回一个唯一的正整数msqid(MQ的标识符); ---- int msgsnd(msqid,msgp,msgsz,msgtyp,flag)——向队列中发送信息; ---- int msgrcv(msqid,cmd,buf)——从队列中接收信息; ---- int msgctl(msqid,cmd,buf)——对MQ的控制操作; ---- (4) 共享存储段(SM) ---- 共享存储段是主存的一部分,它由一个或多个独立的进程共享。各进程的数据段与共享存储段相关联,对每个进程来说,共享存储段有不同的虚拟地址。系统提供的有关SM的系统调用有: ---- int shmget(key,size,flag)——创建大小为size的SM段,其相应的数据结构名为key,并返回共享内存区的标识符shmid; ---- char shmat(shmid,address,flag)——将当前进程数据段的地址赋给shmget所返回的名为shmid的SM段; ---- int shmdr(address)——从进程地址空间删除SM段; ---- int shmctl (shmid,cmd,buf)——对SM的控制操作; ---- SM的大小只受主存限制,SM段的访问及进程间的信息交换可以通过同步读写来完成。同步通常由信号灯来实现。SM非常适合进程之间大量数据的共享。 ---- (5) 信号灯 ---- 在UNIX中,信号灯是一组进程共享的数据结构,当几个进程竞争同一资源时(文件、共享内存或消息队列等),它们的操作便由信号灯来同步,以防止互相干扰。 ---- 信号灯保证了某一时刻只有一个进程访问某一临界资源,所有请求该资源的其它进程都将被挂起,一旦该资源得到释放,系统才允许其它进程访问该资源。信号灯通常配对使用,以便实现资源的加锁和解锁。 ---- 进程间通信的实现技术的特点是:操作系统提供实现机制和编程接口,由用户在程序中实现,保证进程间可以进行快速的信息交换和大量数据的共享。但是,上述方式主要适合在同一台计算机系统内部的进程之间的通信。 3 应用程序间的通信及其实现技术 ---- 同进程之间的相互制约一样,不同的应用程序之间也存在竞争和协作的关系。UNIX操作系统也提供一些可用于应用程序之间实现数据共享与信息交换的编程接口,程序员可以通过自己编程来实现。如远程过程调用和基于TCP/IP协议的套接字(Socket)编程。但是,相对普通程序员来说,它们涉及的技术比较深,编程也比较复杂,实现起来困难较大。 ---- 于是,一种新的技术应运而生——通过将有关通信的细节完全掩盖在某个独立软件内部,即底层的通讯工作和相应的维护管理工作由该软件内部来实现,用户只需要将通信任务提交给该软件去完成,而不必理会它的具体工作过程——这就是所谓的中间件技术。 ---- 我们在这里分别讨论这三种常用的应用程序间通信的实现技术——远程过程调用、会话编程技术和MQSeries消息队列技术。其中远程过程调用和会话编程属于比较低级的方式,程序员参与的程度较深,而MQSeries消息队列则属于比较高级的方式,即中间件方式,程序员参与的程度较浅。 ---- 4.1 远程过程调用(RPC)