总线互联noc/nic400/designWare fabric

cy413026

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分类专栏：总线及总线互联文章标签： fabric NOC

于 2019-11-07 20:35:34 首次发布

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1-3节介绍了业界常用的3种总线interconnect IP

1.synopsys的designWare

DesignWare IP Solutions for AMBA - Infrastructure & Fabric

在这种情况下，设计者使用AMBA的各种DW组件(Fabric)来自行搭建互联结构。这样在简单系统还可以，复杂SOC很容易出问题。

另外Synopsys也提供了自动集成的工具 coreAssembler。该工具或许可以向NOC那样直接生成总线互联结构(暂时没有使用过，猜测)。

面向AMBA 互连的 DesignWare IP 解决方案

2.ARM的NIC-400

The CoreLink NIC-400 Network Interconnect is highly configurable and enables you to create a complete high performance, optimized, and AMBA-compliant network infrastructure. There are many possible configurations for the CoreLink NIC-400 Network Interconnect. They can range from a single bridge component, for example an AHB to AXI protocol conversion bridge,
to a complex interconnect that consists of up to 128 masters and 64 slaves of AMBA protocols.

可参考ARM® CoreLink™ NIC-400 Network Interconnect Technical Reference Manualhttp://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0475g/index.html

NIC是crossBar结构的总线互联，一般用在主从设备较少的情况下，这种情况下NIC的效率很高，在1到2个时钟周期数据就能到达从设备。所以常看到NIC被用在子系统内部互联多个apb的slave

NIC是只支持amba的协议【因为NIC和AMBA都是ARM一家的】，不像NOC需要专门的路由协议

ARM总线产品还有CCI(CrossBar)，CCN(Ring)，NOC(Mesh)三类。可参考：

NOC总线架构拓扑介绍（转载） - 知乎弄清了访存的路径，可能就会想到一个问题：处理器发出去的读写请求到底是个什么东西？要想搞清楚它，就需要引入总线。下文我拿ARM的AXI/ACE总线协议以及由它衍生的总线结构来展开讨论。这两个协议广泛用于主流的手…https://zhuanlan.zhihu.com/p/93409326

3.NoC

3.0 NOC的起源

参考Intel和Facebook 都看好的技术：NoC神奇在哪里？

下面一段摘自嵌入式系统/ARM技术中的片上网络取代片上总线 - 将睿

法国高新企业Arteris公司日前公布了一种可取代传统片上总线系统的新型解决方案，即可适应当今许多复杂单片系统(SoC) 设计所采用的多个异步时钟的片上网络 (NOC)系统。

NOC解决方案为片上通信提供了一种全新的联网手段，据称其性能大约为传统总线系统的三倍。SoC解决方案可与专用片上总线架构及商用片上总线——如ARM公司的AMBA（高级微控制器总线架构）及Sonic公司的 SiliconBackplane等相媲美。

Arteris公司营销副总裁Philippe Martin称，NOC解决方案将联网概念运用于片上通信。与利用网络来连接多台计算机的方法相类似的是，NOC解决方案将多个分布式系统（例如IP块及功能集等）连在一起，从而能减少迹线数量并因此而减少设计中的延时。Martin说：“过去几年，人们对NOC进行了相当多的研究，但大部分是学术性研究，而现在我们能提供商用产品。”该产品包括Danube NOC IP库、用于得出NOC架构的NOCexplorer，以及用于生成SystemC及可综合Verilog与VHDL的NocCompiler。

Martin表示，NOC解决方案的目标针对采用异步设计方法（即在一块芯片上采用多个时钟及数百个IP块）的设计。鉴于此，Arteris公司开发出专用的片上以及基于分组的NTTP（NOC处理与传输协议）。而由网络接口单元 (NIU)、数据包传输单元及物理链路组成的Danube库，则包含用于执行这种协议的必要元素。芯片架构师可用NOCexplorer工具来进行NOC拓扑建模，并得出一种NOC架构。NOCexplorer用户可用一种称为GALS（全局异步、局部同步）的方法来指定一组同步逻辑。该工具利用NIU将NOC与采用片上插口标准——例如AMBA AHB（高级高性能总线）、AMBA AXI（高级可扩展接口）及OCP（开放式内核协议）2.0版等的内核相连。Danube库中的开关控制着集群间的同步链接，而库中的GALS则控制着异步链接。NOCexplorer利用一个数据流仿真引擎来对系统行为进行建模。

在芯片架构师得出用于其设计的最佳NOC配置后，就可用NOCcompiler来生成可综合的Verilog、VHDL或SystemC，以便用传统IC设计流来完成设计。NOCcompiler拥有规则检查功能，以确保多个版本间的设计一致性。此外，它还能在预综合阶段估计电路面积。它能生成配置NOC单元的数据表格，包括一张寄存器映射表。NOC利用Artisan库和现成的EDA工具在90nm TSMC硅工艺上达到了750 MHz的工作频率。NOC解决方案的起价为35万美元。

3.1 NOC协议和简单结构

R:Router，NOC内部重要节点，用于路由和流量控制，有的地方叫做SWITCH。

NI：Network InterFace

NIU：是NI于AMBA接口的转换和异步处理【异步处理可以在NIU、LINK和switch做】

LINK：连接NIU、Router/SWITCH的物理线路，上面可以有pipe和async组件

NTTP：NoC Transaction and Transport Protocol，NOC传输和处理协议

NOC采用的是基于数据包的传输和处理协议【packet-based NoC Transaction and Transport Protocol (NTTP) 】。为了完成传输和处理，NTTP包含了很多子协议：

下面一段摘自NoC协议概述-优快云博客

1.路由协议：确定数据包在网络中的传输路径，使数据包可以从源节点到目标节点进行路由。常见的路由算法有Dijkstra算法、Floyd算法、最短路径算法等。

2.拥塞控制协议：当网络中的某些部分过载时，拥塞控制协议将采取措施防止网络拥塞，以确保数据包的可靠传输。常见的拥塞控制算法有流控制、拥塞避免、拥塞检测等。

3.流量控制协议：在NoC中，流量控制协议用于控制不同节点之间的数据传输速率，以避免网络拥塞和数据丢失。流量控制协议通常使用缓冲区来存储数据包，并在必要时限制传输速率。

4.错误控制协议：错误控制协议用于检测和纠正网络中发生的错误，以确保数据的可靠传输。常见的错误控制协议有检验和、循环冗余检测等。

5.安全协议：安全协议用于保护NoC中传输的数据和信息的安全性，防止网络攻击和数据泄露。安全协议通常使用加密和解密技术来确保数据的机密性和完整性。

所以说NOC在流控，QOS和security及功能安全都做的很好，这些是NIC所没有的。

3.2 NIC/NOC/CCI的简单比较

NIC crossbar 结构，特点是全互联switch,容量高，latency低，并发性好。缺点是可扩展性差，适用于输入输出数目比较小的情况。

NOC是类似路由的一种结构，特点是可扩展性好，缺点是并行性差，结构复杂，需要路由协议。适用于连接非常多个处理单元的情况。

NIU准确的定义应该是BIU，也就 bus interface unit.用于连接网络节点和处理单元， NIU/BIU不是必须的，如果两种协议一致，就不需要这个了。

CCI是保证多核处理单元之间cache 内容一致性的互联结构。

下面这篇文章对为什么选择noc给出了比较详细的说明

谈谈NoC Interconnect在复杂SoC设计中的应用 - 多核/异构系统的最佳互连方法 - 知乎

摘了一段话如下：

NoC结构为了实现扩展性，也需要负担router/switcher逻辑之类的额外开销，而一旦片上互连模块数量增加时（如大于30个模块），NoC的优势就会体现，此时路由器逻辑和网络协议的开销就可以忽略不计，因此在互联模块数量较多时NoC可以实现更高的性能，同时面积却更小；在互连模块的数量较少时（低于20个），那么片上总线和Crossbar因为设计简单会更加适合。

3.3 noc首先在消费性电子晶片市场获得初步成功

以下摘自NoC势力版图扩张SoC IP全面互联更Easy

以CoreLink NIC-400为例，为了让所有晶片商方便使用，该方案的运作即是采用AXI介面(Advanced eXtensible Interface)以让每个IP都可彼此互联，但事实上，并非每个IP都有连结到所有IP的必要性，这种方式往往造成晶片内有过多不必要的通讯渠道，反而让布线更为拥塞。以CoreLink NIC-400的128位元AXI汇流排架构为例，其晶片内布线平均数量更高达二百九十个，反而无法实际有效解决问题。

Shuler分析，在这样的背景之下，专门用来建立IP互联架构的NoC势力渐渐崛起，并率先在消费性电子晶片市场获得初步成功；不过，在诸如工厂自动化、汽车工业、国防航太、机械、医疗产品等领域，NoC业者则尚未能成功进入这些市场，原因在于这些领域通常拥有较严苛的产业标准，如汽车领域的ISO 26262、医疗领域的IEC 60601、航太业的RTCA/DO -178B、工厂自动化应用的EN 62601、机械设计的ISO 13849等规范，因此有意跨足的晶片商、IP业者、系统厂都须花费一翻工夫，NoC业者亦然。

事实上，在NoC方案进军这些市场之前，业者仅能针对自己的晶片开发自有的IP互联架构。不过，近来Arteris已成功开发出新一代NoC互联方案--FlexNoC Resilience Package，以满足医疗、汽车、国防航太、工厂自动化等应用市场的需要，扩大NoC业者的势力版图。

Shuler表示，采用新一代NoC互联架构，能帮助SoC业者降低晶片开发成本，并快速达到各项严苛的产业标准，让NoC全面渗透各项产业，加速所有SoC IP互联时代的来临。据了解，Arteris的FlexNoC Resilience Package方案，目前已经得到工业型晶片商Mobileye、Altera、德州仪器(TI)和瑞萨电子(Renesas Electronics)的支持，并率先用于先进驾驶辅助系统(ADAS)、嵌入式FPGA SoC等设计。

4.互联结构

以下摘自片上网络NoC为何还没有得到实际应用回答者young cc来源：知乎

4.1 共享总线即 BUS结构

Bus是最简单的互联，适合small system,当connected nodes太多时，若多个node同时通信，很容易产生contention，bandwidth 太小。所以Bus只适合小系统，一般十个以下的互联设备。

4.2 CrossBar

crossbar也是一种常用互联机制，每个node能与其他node直接互联，所以low latency and high throughput.,但 not scalable(可扩展性差), 复杂度是。所以Crossbar适合不太大的系统，一般用于几个到十几个connected nodes 的系统。

4.3 noc

当前多核系统最流行的是Mesh结构。

NoC的诱人之处是可以支持各种扩展功能：

如decouple各模块；deadlock free(利用routing algorithm, 使用多个virtual channel, circuit switching)； flow control(使用credits)； QoS(强力推荐TDM NoC，相比priority scheduling能提供hard guarantees)； fault tolerance/resilience，容错机制(利用topology, additional mechanism)；congestion management； GALS(全局异步局部同步，这点在多核系统中很重要，所有router可以是同步，但是每个router所连接的processing element与router异步，自成一个clock domain，这样可以动态调整每个模块的频率电压到合适值)；等等。