NOCs – CMP114 – 2003/I

Integração de Sistemas Baseados em Redes Intra-

Chip (NOCs)

Alexandre de Morais Amory

José Carlos Sant’Anna Palma

Leandro Augusto de Oliveira

NOCs – CMP114 – 2003/I

Sumário

• Introdução

• NoCs Utilizadas no Trabalho

• Arquitetura do Processador MET2

• Processador R8

• Integração dos Sistemas

• Conclusões

NOCs – CMP114 – 2003/I

Introdução

• Nos atuais SoCs os componentes são interconectados

através de barramentos

• Desvantagens:

– Meio físico compartilhado, permitindo somente uma

transação de cada vez

– Necessidade de mecanismos de arbitragem

– Escalabilidade limitada

– Restrições de desempenho devido às linhas globais

• Solução: utilização de uma nova abordagem, baseada em

redes de conexão intra-chip, as Networks-on-Chip (NoCs)

NOCs – CMP114 – 2003/I

Motivação e Objetivos

• Motivação:

– Gerar conhecimento na área de Networks-On-

Chip, e dar um passo inicial em direção a este

novo paradigma de interconexão em sistemas

integrados.

– Dar continuidade aos trabalhos desenvolvidos

nesta área.

NOCs – CMP114 – 2003/I

Motivação e Objetivos (cont.)

• Objetivos:

– Estudo de modelos de comunicação empregados em

NoCs

– Integração de sistemas baseados em NoCs

– Utilização de diferentes processadores (FemtoJava,

MET2, R8)

– Projeto e descrição VHDL do processador MET2

– Aplicações sintéticas para validação dos sistemas

NOCs – CMP114 – 2003/I

NoCs Utilizadas no Trabalho

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Comparação Rasoc e Hermes

Hermes

Rasoc

Protocolos

Assíncrono

Síncrono

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Comparação Rasoc e Hermes

• Roteamento feito na origem– Não executa roteamento em

função do tráfego

– Difícil de ser modificado

• Realiza modificações no cabeçalho– Dificulta implementação de

controle de erros (CRC)

• Transmissão mais rápida (rajada)

• Menor área

• Roteamento e topologia de fácil modificação– Adaptativo, xy

– Mesh, torus, anel

• Roteamento realizado durante envio

• Transmissão mais lenta (flit a flit)

• Maior área

RasocRasoc HermesHermes

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Arquitetura do Processador MET2

• Processador de teste programável que pode ser usado para gerar padrões pseudo-aleatórios e compactar respostas de teste.

• Configurável– Largura do padrão/resposta (LFSR/MISR)

– Largura do PC e contador

• Programável– 3 instruções para gerar padrões

– 3 instruções para compactar respostas

– 1 instrução para avaliar assinatura

• Alto desempenho (um padrão por ciclo)

• Fácil reuso / sem reprojeto para BIST

• Flexível

• geração de tráfego

• DESVANTAGEM: Área de hardware adicional

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Processador R8

• Processador multi-ciclo o qual foi desenvolvido pelo grupo GAPH (PUCRS).

• Arquitetura load-store

• Banco de registradores

• Formato regular para as instruções

• Poucos modos de endereçamento

• Bloco de controle hardwired, e não micro-programado

• Características específicas da versão utilizada no trabalho:– dados e endereços de 16 bits

– endereçamento de memória a palavra

– banco de registradores com 16 registradores de uso geral.

– CPI entre 3 e 4.

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Integração dos Sistemas

• Rede Hermes:

– Nodo MET2_Hermes

– Nodo R8_Hermes

• Rede SoCIN:

– Nodo FemtoJava_SoCIN

– Nodo MET2_SoCIN

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Integração dos Sistemas – Nodo MET2_Hermes

MET2

memRAM

8 address

ce

16 dataOut

16 input

we

address

dataIn

patte

rn

outp

ut

16 16

resp

onse

cut_

resp

onse

hold

erro

r

halt

WrapperMET2_Hermes

avSe

nd

nWor

dSen

d

data

Send

busy

Send

data

Rec

eive

avR

ecei

ve

Send/Receive

3 5:16 5:16

8

busy

Cor

e

addr

essC

addr

essC

8 8

rx

ack_

rx

data

In

tx

ack_

tx

data

Out

Roteador Hermes

Norte Sul Leste Oeste

Lógica de cola

Nodo MET2_Hermes

O nodo envia e recebe pacotes com 5 palavras de

16 bits (1 palavra de cabeçalho + 4 padrões de

teste)

Lógica de cola ponte entre os protocolos do

MET2 e do Send/Receive

Módulo Send/Receive quebra os pacotes em flits e

os envia para o roteador (porta local)

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Integração dos Sistemas – Nodo R8_Hermes

CDI Controlador de Interrupções

R8 Mestre do barramentoMemória externa de programa e dados

Reg. ID Registrador de identificação do nodo

Periférico Hermes wrapper + roteador

(comunicação com o resto da NoC)

CPU

LocalInHermes

io

rw

data

memória

io

rw

data

ce

addressaddress

RegID

io

rw

data

address

Controlador deInterrupções

io

rw

data

address

rw

data

ce

address

req

ack

req

ack

fromNOCtoNOC

LocalOut

int_ack

int_reqint_ackint_req

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Integração dos Sistemas – Nodo R8_Hermes (cont.)

bus_

data

16

bus_

addr

16 bus_

io

WrapperR8_Hermes

avSe

nd

nWor

dSen

d

data

Send

busy

Send

data

Rece

ive

avRe

ceiv

e

Send/Receive

3 5:16 5:16

8

busy

Core

addr

essC

addr

essC

8 8

rx

ack_

rx

data

In

tx

ack_

tx

data

Out

Lógica de cola

bus_

rw

int_

req

int_

ack

Roteador Hermes

Norte Sul Leste Oeste

Periférico Hermes

Lógica de cola ponte entre os protocolos do

barramento e do Send/Receive

Buffers de envio e recebimento de dados

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Integração dos Sistemas – Nodo R8_Hermes (cont.)

1

2

3

1- Endereço do periférico = F1; Escrita no Buffer 3; Dado = “55AA”; Operação de escrita sinalizada pela porta bus_io = ‘1’, bus_rw = ‘0’.

2- bus_addr = “XX03” (última palavra do pacote); Envio de dados (avSend) do conteúdo do buffer dataSend.

3- Envio de dados pela rede. Sinalização de tx e ack_tx para cada flit.

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Integração dos Sistemas – Nodo FemtoJava_SoCIN

Wrapper dividido em dois módulos um de envio e outro de recebimento de

dados

FemtoJava

WrapperInput

WrapperOutput

wrapperFJ_Socin

fromNOC toNOC

porta localRasoc

nodo FJ_Socin

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Integração dos Sistemas – Nodo FemtoJava_SoCIN

NOCs – CMP114 – 2003/I

Proposta de Sistema – Nodo FemtoJava_SoCIN

FJ

FJ

FJFJFJ

FJ

FJ FJ

00 01 02

20 21 22

121110

Rasoc Socin

Sistema FJ

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FJ_System

Proposta de Sistema – Nodo FemtoJava_SoCIN

FJ_core

t0 t1int_ctrlram romwrapper

rasoc

Rasoc

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Proposta de Sistema – Nodo FemtoJava_SoCIN

• Vantagens– Simplicidade de implementação de hardware

– Transição simples de barramento para NOCs

– Fácil implementação de software• Importante para sistemas complexos (streaming applications)

– Separa comunicação de processamento

– Maior reuso dos núcleos

– Facilita a planta baixa do circuito

• Desvantagens– Protocolo implementado em software

– Maior tempo de comunicação

NOCs – CMP114 – 2003/I

Integração dos Sistemas – Nodo MET_SoCIN

1- envio

NOCs – CMP114 – 2003/I

Integração dos Sistemas – Nodo MET_SoCIN

1- recebimento

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Agradecimentos

• Aline e Möller (gaph)• Rodrigo• Júlio• Zeferino

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Contribuições

• Primeira implementação prática utilizando Rasoc

• Proposta de sistema que facilite a transição de barramento para NOC– Facilita implementação de software

– Necessita de wrapper simples

• Projeto que facilita reuso– Separação de processamento e comunicação

• Identificação de problemas de portabilidade do FJ

• Proposta de fluxo de projeto VHDL que facilite portabilidade

• Comparação dos roteadores Hermes e Rasoc

• Projeto e prototipação do processador MET2

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Dificuldades Encontradas

• Integração de diversos assuntos não dominados pelo grupo:– Mudança de paradigma bus2NoC– Redes SoCIN e Hermes– Processadores MET e FemtoJava– Sashimi

• Implementação dos wrappers:– Compreensão dos protocolos de comunicação dos processadores e

das redes.

• Validação e Integração de cores– Falta de exemplos de uso do Rasoc

• Dificuldade de integração e portabilidade do FJ– Muitos recursos só funcionam no Maxplus2

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Considerações Finais

• Políticas de reuso e portabilidade dos núcleos são uma

necessidade

• Gerenciamento de projetos grandes (FJ) com várias

pessoas não é trivial

• Necessidade de uma cultura de projeto VHDL que utilize

validação funcional com testbenches