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【IC】NoC设计入门 -- NoC 核心理论与架构

news 2025/11/4 16:33:39

在上一节，我们达成了共识：NoC = 放弃“共享高速公路”（总线），改用“城市街道网”。

现在，我们要深入研究：这个“城市街道网”究竟是如何设计和运行的？

这个阶段是 NoC 的灵魂，请准备好消化一些最核心的概念。我们依然会使用“城市交通”的比喻。

🔬 第二阶段：NoC 核心理论与架构

1. NoC 的“三驾马车”：拓扑、路由、流控

这三者共同决定了 NoC 的形态和效率，它们是密不可分的。

A. 拓扑结构 (Topology)：城市是如何规划的？

拓扑，就是“路由器”（十字路口）相互连接的“形状”。 它定义了街道的布局。

必学：2D Mesh (二维网格)
- 比喻： 曼哈顿或北京的棋盘式街道网。
- 结构： 每个“十字路口”（Router）都通过“街道”（Link）连接到它东、南、西、北的邻居。同时，每个路口还连接着一个“功能区”（比如一个 CPU 核）。
- 为什么主流？
  1. 规整： 在芯片上布线非常容易、非常规整。
  2. 可扩展： 城市想从 3x3 扩展到 4x4，只需要在旁边加一排“路口”就行了，对原有结构影响很小。
- 其他拓扑（了解即可）：
  - Ring (环形)： 像城市里的“二环路”。
  - Torus (环面)： 像一个“甜甜圈”，Mesh 的首尾相连版。

B. 路由算法 (Routing)：GPS 是如何导航的？

路由，就是“数据包”（车队）用来决定“下一跳该走哪个路口”的规则。

必学：确定性路由 (Deterministic Routing)
- 比喻： 一种“死板”的导航规则。
- 含义： 从A点到B点，永远只有一条固定的路径。
- 最经典的算法：XY 路由 (用于 Mesh 拓扑)
  - 规则： “先走X方向（东西），直到X坐标对齐；再走Y方向（南北）。”
  - 举例： 你的车队要从 (0, 0) 的“家”开到 (2, 1) 的“商场”。
  - 路径： (0,0) → (1,0) → (2,0) → (2,1)。绝不允许 (0,0) → (0,1) → (1,1) → (2,1)。
  - 为什么用它？ 它超级简单（硬件实现容易），并且有一个天大的好处：能避免死锁 (Deadlock)。

C. 流控 (Flow Control) 与交换 (Switching)：交通警察是如何指挥的？

这是 NoC 中最复杂、也是效率最高的部分。它决定了“车队”在“街道”上具体是如何行驶的。

必学：虫洞交换 (Wormhole Switching)
- 背景： 一个“Burst”（突发）数据可能非常大（比如一个100辆车的“大车队”）。我们不能等100辆车都到了路口A，再一起发往路口B（这叫“存储转发”，效率太低）。
- 虫洞机制：
  1. 我们将这个“大车队”（Packet，包）拆分成一节一节的“标准车厢”（Flit，流控单元）。
  2. 头 Flit (火车头)： 包含“导航地址”（比如要去 (2,1)）。
  3. 体 Flits (中间车厢)： 只装“货物”（数据）。
  4. 尾 Flit (火车尾)： 标记“车队结束”。
  5. “虫洞”效应： 当“火车头”到达路口A时，交警（路由器）一看地址，把它指向东边。火车头刚一离开路口A，紧跟在后面的“中间车厢”立刻就跟上，不需要等待！
  6. 在同一时刻，这个“车队”（火车）可能同时占据着好几条街道（比如火车头在 (1,0)，火车尾还在 (0,0)）。它就像一条“贪吃蛇”一样，在网络中“蠕动”前进。
- 优点： 极大地降低了延迟，也减少了路口（路由器）需要“停车场”（缓冲区）的大小。
必学：基于信用的流控 (Credit-Based Flow Control)
- 问题： 在“虫洞”模式下，路口A的“火车头”要发往路口B。如果路口B东向的“停车场”（FIFO 缓冲区）已经满了，怎么办？火车头堵在路口A，它后面的所有车厢都会堵住，引发大塞车。
- 信用机制（解决方案）：
  1. 路口B（下游）会不断地“广而告之”路口A（上游）：“我东边的停车场还能停 5 辆车（Credits = 5）。”
  2. 路口A（上游）每往B发送一辆车（一个 Flit），自己就把B的“信用计数”减 1（现在A认为B还能停 4 辆）。
  3. 当A发现B的“信用计数”为 0 时，就立即停止向B发送任何车辆。
  4. 当路口B的停车场空出一个位置时（车开走了），它会立刻给A发一个“信用更新”信号：“我又空了 1 个位置！”
- 优点： 这套机制确保了上游永远不会在下游缓冲区满的时候还发送数据，从而从根本上避免了因“停车场满了”导致的交通瘫痪。

2. NoC 的核心组件（硬件实现）

现在我们把“比喻”翻译成“硬件”。一个 NoC 主要由两部分组成：

A. 路由器 (Router) 微架构（十字路口+交警）
- 输入端口 (Input Ports)： 包含“停车场”（FIFO 缓冲区），用来暂存抵达的 Flits（车厢）。
- 路由逻辑 (Routing Logic)： “GPS导航仪”。读取“火车头”（Head Flit）的目标地址，并根据 XY 路由算法，计算出它该从哪个出口走。
- 仲裁器 (Arbiter)： “路口交警”。如果东边和南边的车队都想去北边（抢同一个出口），仲裁器（比如使用“轮流放行”规则）决定谁先走。
- 交换矩阵 (Switch Fabric / Crossbar)： “立交桥”。一个 N x N 的开关矩阵，负责把“输入端口”的车辆实际“切换”到“输出端口”去。
B. 网络接口 (Network Interface, NI)（出入口匝道）
- 这是 NoC 的“翻译官”和“打包站”，它连接着“功能区”（CPU）和“十字路口”（Router）。
- 功能： 它负责将 CPU 发出的**总线协议（如 AXI）的读写请求（我们第一阶段讲的“高速公路”上的车队），“翻译并打包”**成 NoC “城市路网”能理解的、带地址的 Flits（火车车厢）。反之亦然。

3. NoC 的关键性能问题

设计 NoC 就是为了解决以下问题，而这些问题也是衡量你设计好坏的标准：

延迟 (Latency) & 吞吐量 (Throughput)：
- 延迟： 一辆车（一个数据）从A点到B点要花多久？（越低越好）
- 吞吐量： 整条街道（整个网络）1秒钟最多能通过多少辆车？（越高越好）
死锁 (Deadlock)：
- 比喻： 灾难性的“十字路口环形堵死”。
- 场景： 想象一个环形路口。A车队想去B，B想去C，C想去D，D想去A。它们各自占了一个路口，同时又在等待下一个路口。所有车队都动弹不得，交通彻底瘫痪。
- 解决： XY 路由通过“只准先X后Y”的死板规定，在设计上**“打断了环路”**，从而避免了死锁。
队头阻塞 (Head-of-Line Blocking)：
- 比喻： “直行车被左转车堵住”。
- 场景： 在一个路口（路由器的输入端口），排在第一位的“火车头”A想去北边。但北边的路堵了（没信用了）。
- 排在它后面的“火车头”B，本来想去东边（东边是空的，完全可以走）。
- 问题： 因为火车头A堵在最前面，火车头B也被迫卡在后面，动弹不得。
- 解决： 这是 NoC 中最经典的一个性能问题。解决它的高级技术叫做**“虚拟通道” (Virtual Channels)**（我们第五阶段再讲）。