XIRU: Interface de Rede Extensível para Integração de Núcleos a uma Rede-em-Chip

For the integration of the cores of a SoC (System-on-Chip) to a NoC (Network-on-Chip), it is necessary the using of communication interfaces that perform the adaptation of the core protocol to the network protocol and provide the necessary communication services to the cores. This paper presents a research done in order to provide an extensible network interface for the integration of cores to SoCIN (System-on-Chip Interconnection Network) NoC. The proposed interface was designed using a layered architecture that performs protocol adaptation, data packetization/depacketization and sending/receiving of packets, among others services. The paper describes the architecture of the network interface and presents results of its validation and synthesis in silicon. 1 Laboratório de Sistemas Embarcados e Distribuídos, UNIVALI Rua Uruguai, 458 – Centro – CEP: 88302-202 – Itajaí, SC, Brasil {drm, wangham, zeferino @univali.br} XIRU: Interface de Rede Extensível para Integração de Núcleos a uma Rede-em-Chip RITA • Volume 21 • Número 2 • 2014 11 1 Introdução A evolução dos processos de fabricação de circuitos integrados têm permitido o aumento do nível de integração de componentes em silício viabilizado a criação de sistemas computacionais complexos em um único chip. Tais sistemas são conhecidos como sistemas integrados ou Systems-on-Chip (SoCs). Para atender a requisitos quanto ao tempo de projeto, esses sistemas são implementados com o uso de blocos de hardware pré-projetados e préverificados, os quais são denominados núcleos ou cores [1]. A interconexão dos núcleos de um sistema integrado é geralmente realizada via barramentos compartilhados, com o uso de estruturas centralizadas ou hierárquicas. No entanto, essa abordagem não atende aos requisitos de SoCs que integram de várias dezenas a centenas de núcleos em um único chip, pois o desempenho do barramento é limitado e não escala com tamanho do sistema. As Redes-em-Chip ou Networks-on-Chip (NoCs) [2] foram propostas como alternativa arquitetural para solucionar esse problema, pois são reutilizáveis como o barramento e oferecem desempenho escalável e paralelismo em comunicação. Uma NoC é constituída de um conjunto de roteadores interconectados de forma estruturada por meio de canais ponto-a-ponto [3]. Cada roteador possui um conjunto de portas que são utilizadas para conectar-se com seus roteadores vizinhos e com o núcleo de processamento. As NoCs utilizam o modelo de comunicação de troca de mensagens e a comunicação entre os núcleos ocorre por meio do envio e recebimento de pacotes. Um exemplo de NoC é a SoCIN (SoC Interconnection Network) [3], uma Rede-em-Chip de baixo custo e com desempenho escalável baseada em um roteador parametrizável (denominado ParIS – Parameterizable Interconnect Switch) que permite a síntese de redes com diferentes características de custo e desempenho. Além dos roteadores e dos enlaces, uma NoC requer interfaces de rede (ou NIs – Network Interfaces) para adaptar o seu protocolo aos protocolos utilizados pelos núcleos e também para prover serviços de comunicação necessários ao sistema. Em geral, as interfaces oferecem serviços relacionados às camadas inferiores do modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection), porém, serviços de camadas superiores também são requisitados. Este artigo descreve uma arquitetura de interface de rede para uso em sistemas baseados na rede SoCIN. A arquitetura proposta visa viabilizar a integração de núcleos compatíveis com diferentes protocolos de comunicação intrachip à NoC. A interface de rede utiliza uma arquitetura em camadas que facilita a construção de interfaces de adaptação e a inclusão de novos serviços de comunicação. As seções a seguir apresentam alguns conceitos base sobre o contexto deste trabalho (Seção 2), uma análise dos trabalhos relacionados (Seção 3), a arquitetura de rede proposta (Seção 4), os resultados experimentais relativos à implementação da interface de rede (Seção 5) e uma discussão sobre a estrutura e a capacidade de adição de novos serviços à interface (Seção 6). Por fim, na Seção 7, são apresentadas as conclusões do trabalho. XIRU: Interface de Rede Extensível para Integração de Núcleos a uma Rede-em-Chip 12 RITA • Volume 21 • Número 2 • 2014 2 Redes-em-Chip 2.1 Arquitetura de uma Rede-em-Chip Conforme ilustrado na Figura 1, uma NoC é constituída de interfaces de rede, roteadores e enlaces. A interface de rede realiza a comunicação entre o núcleo e a rede de forma transparente, adaptando sinais de sincronismo e de dados [4]. O roteador tem como função encaminhar mensagens transferidas pela rede e é composto de um conjunto de buffers FIFO (First-In, First-Out), multiplexadores e controladores que implementam os mecanismos de comunicação necessários à transferência de mensagens pela rede [5]. Também possui portas de entrada e saída, para comunicação com outros roteadores e com um núcleo conectado à rede. Os enlaces são geralmente formados por dois canais ponto-a-ponto unidirecionais em oposição, síncronos ou assíncronos, sendo que cada canal é constituído de fios responsáveis pelo transporte de mensagens, enquadramento e regulação de tráfego [5].