在SoC 中集成的IP 核越來越多時，IP 核的互連策略和方法就成為了影響SoC 性能、數據吞吐率等指標的重要因素。本文除了介紹目前流行的總線互連策略，還介紹了正在興起的片上網絡NoC（Network-on-Chip）方法。
1、 引言
半導體加工工藝的不斷進步和市場對集成電路產品的需求推動了集成電路設計技術的發展。ASIC 技術作為一種重要的IC 設計方法，主要適用于量大使用周期較長的IC 產品，一款ASIC 芯片，其開發周期大致在1 年左右。對于要實現多功能配置、更新換代很快的IC 產品，ASIC 設計方法很難滿足要求。以IP 核復用為基礎的SoC 設計方法，以其快速的產品上市時間、良好的功能可配置性日益成為IC 設計的重要方法。先進的加工工藝也為SoC 芯片的制造實現提供了制程支持。
在SoC設計中，一個重要的課題就是IP核的互連問題，即當一個SoC中需集成幾十個，甚至更多的IP核時，如此多的IP核以怎樣的方式進行數據交互。
IP核互連的不同形式會影響到SoC芯片的數據帶寬、時延、數據吞吐率及功耗等指標。 總線是目前SoC設計中廣為使用的IP核互連方式，常用的總線ARM 的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture) 總線、IBM 的CoreConnect總線、Silicore 公司的Wishbone總線、Altera 的Avalon總線、PlamchIP 的CoreFrame總線、MIPS 的EC Interface總線、Altera 的Atlantic? Interface總線、IDT 的IPBus(IDT Peripheral Bus) 總線等。當SoC變得越來越復雜時，總線也逐漸成為限制芯片速度、功耗、面積、數據吞吐率的一個瓶頸問題。在總線的發展中，增加總線的寬度、提高總線的時鐘、支持流水線、采用多路選擇器替換三態門及采用多總線方案等都可以一定程度的緩解以上問題。
然而，總線架構的不斷發展與進步卻給IP核復用及SoC設計實現帶來了一定的不利影響。一方面，總線的技術變更或升級有可能使以前支持的IP核不再適用，需要做修改；另一方面，可能會給SoC的系統級設計帶來影響，如總線中引入靈活的流水線方式就給系統架構及事務級（Transaction level）設計帶來很大的影響。針對總線在IP核互連中存在的一些問題，近出現了NoC的設計理念。NoC理念的核心是分層互連，將SoC設計中的IP核與互連的線分開來，使得系統的設計優化和IP核的設計優化互不影響。目前已經有利用NoC的設計理念完成了的芯片。
2、片上總線
片上總線是通過仲裁和譯碼的方式來完成不同主、從部件的互連及總線復用，比較常用的主要有ARM 的AMBA總線、IBM 的CoreConnect總線、Silicore公司的Wishbone總線。
（1）AMBA總線
AMBA定義了三種不同類型的總線：AHB、ASP 和APB。AHB 用于高性能、高數據吞吐部件，如CPU、DMA、DSP 之間的互連，ASP 用來作處理器與外設之間的互連，APB 則為系統的低速外部設備提供低功耗的簡易互連。系統總線和外設總線之間的橋接器提供AHB/ASP 部件與APB 部件間的訪問代理與緩沖。
AHB系統是由主方（Master），從方（Slave）和基礎部件（Infrastructure）三部分所組成。整個AHB線上的傳輸都是由主方發出，由從方負責響應。而基礎部件則由仲裁器（Arbiter）、主方到從方的多路選擇器（master to slave multiplexor）、從方到主方的多路選擇器（slave to master multiplexor）、譯碼器（decoder）等所組成。AHB 支持多個主方，在某個時刻它用仲裁器來仲裁選擇一個主方。而譯碼器則是負責地址的譯碼，從多個從方中選擇要響應主方傳輸要求的從方。多路選擇器負責總線的互連，將總線上的信號在主方和從方進行傳送，圖2簡單說明了它們連結的情形。
（2）CoreConnect總線
圖2 AMBA 總線中的系統互連簡圖
CoreConnect提供了三種基本類型總線：處理器內部總線（PLB，ProcessorLocal Bus)、片上外圍總線（OPB，On-Chip Peripheral Bus）和設備控制總線（DCR，Device Control Register）。其功能及架構與AMBA有異曲同工之處。
（3）Wishbone總線
Wishbone采用主/從的構架，主、從方通過點到點（point-to-point）、數據流（data flow）、共享總線（shared bus）、交叉開關（crossbar switch）四種不同形式進行互連，對于內部互連方式用戶可靈活選擇、生成、擴展。
從以上三種總線的分析看，AMBA和CoreConnect較為相似，而Wishbone已經開始有了內部互連交叉開關的概念，具有了一些片上網絡的特性，但因其缺乏分層互連的思想，故仍歸入總線一類。
3、片上網絡
采用NoC 技術來進行IP 核互連的理念是逐漸演進的，Wishbone 已經初步具備了一些NoC 技術的特性，如交叉開關的概念。
而OCP-IP 的OCP（Open CoreProtocol）協議將IP 核和互連總線通過OCP 界面（interface）分開來，已經具備了層次化互連的理念，因此將OCP 納入到 NoC 的技術范疇。OCP-IP 的主席IanR.Mackintosh 先生也一再強調OCP 的協議不是總線協議。步OCP-IP 之后，已經有多家公司致力于研究NoC相關的技術和產品，較為突出的幾家是法國的Arteris公司、英國的Silistix 公司及美國的Sonics 公司。
（1）OCP-IP 的OCP 協議
OCP 協議的核心是在IP 核和互連總線之間引入一個事務協議層，如圖5 所示，該協議定義了IP核與對應接口模塊間點到點的接口信號，除了數據和控制信號，還包括邊帶控制信號（sideband control）和測試信號，除了時鐘外的所有信號都是點到點的同步信號。
1）OCP協議的特性
OCP協議在兩個互連的實體（entity）間定義了一個點到點（point-to-point）的界面。其中一個實體作為OCP實例的主方，另外一個實體作為從方，只有主方可以發出命令，從方響應主方的命令，或是從主方接受數據，或是將數據傳給主方。
圖5 OCP 協議的分層互連策略
圖6描述了一個包括一個包裝總線（wrapped bus）和三個IP核的系統。對于包裝總線界面模塊而言，他要扮演OCP協議的互補的兩個角色，即它既是主方，也是從方。一個傳輸的流程如下：系統發起方（system initiator）（作為OCP的主方）將控制或數據信息發送給與他互連的從方；總線界面模塊將請求（request）在總線上傳輸（OCP自身不定義總線功能）；此處，總線界面模塊將請求轉換為系統總線的傳輸；接受的總線界面模塊（作為OCP主方）將系統總線的操作轉換成合法的OCP命令；系統目標方（system target）（OCP的從方）接到命令并對此作出反應。
2）主要信號
OCP 協議中共有三大類信號：數據流信號（Dataflow signals），邊帶信號，測試信號（Test signals），如圖7 所示。
數據流信號主要包括：基本信號（Basic signals）、簡單擴展信號（Simple extensions signals）、突發擴展信號（Burst extensions signals）和線程擴展信號（Thread extensions signals）；邊帶信號主要包括：重置（Reset）、中斷（Interrupt）、錯誤（Error）等信號；測試信號主要包括用于支持掃描（Scan）、時鐘控制和IEEE 1149.1（JTAG）的信號，所有的MasterSlave
Request
Write Data
Response
Read Data
Control signals
test signals
System
Core
Accept Request
Accept WR Data
Accept Response
Clock
Dataflow
Request Response
Optional handshake signals
Sideband
Test測試信號都是可選的。
（2）NoC
隨著SoC 中信息的傳輸交換越來越多，采用層次化的互連方法可以很好的解決以總線為中心互連時信息交換的瓶頸問題，目前法國的Arteris 公司、英國的Silistix 公司都推出了NoC 技術相關的產品。
1）NoC 的架構
圖8 示意了總線架構和Arteris 公司的NoC 架構，NoC 是一個均勻的、可升級的開關結構網絡（switch fabric network），開關結構（switch fabric）（圖8 b 中IP 核互連的節點）是NoC 技術的核心，他在復雜的SoC 中傳送各種各樣的數據包（data packet）
2）NoC 的層次
在NoC 技術中，IP 核的互連采用了三層次的互連策略，如圖9 所示，他們a. 傳統的總線互連 b. Arteris 公司的NoC 架構分別是事務層（Transaction）、傳輸層（Transport）、物理層（Physical）。
事務層定義了IP 核之間是如何互連交互信息的。如圖10 中所示的NoC 界面單元NIU（NoC Interface Units）在IP 核之間提供事務層互連服務，NIU 將IP核和外部的協議（如AHB）隔離開，NIU 在兩個協議間轉換事務內容。一個典型的NoC 事務是由一個主NIU（master NIU）到從NIU（slave NIU）的請求和從NIU 到主NIU 的應答（response）構成。事務層將信息互換的實現細節留到傳輸層和物理層實現。傳輸層定義了在開關結構間傳送數據包的規則，在數據包中需要一些信息（例如一般是在數據包的頭部）來引導數據包的傳輸。
數據包的格式是可變的，可以在不影響傳輸層的情況下很容易的適應事務層的變化。例如數據包可以根據實際應用需求包含字節使能（byte enables）、用戶信息等信息，而不需要改變傳輸規則和物理實現。
物理層則具體定義了數據包是如何通過界面傳遞的，如此實現了開關結構間的互連可以在帶寬、數據完整性等方面進行優化而不會影響到事務層和傳輸層。
4、總結
工藝的進步和設計方法學的進步使SoC 的設計規模越來越大，所集成的IP核越來越多，由此使得IP 核間的互連顯得越來越重要。
除了常見的基于總線的IP 核互連方法，Internet 網絡中分層互連的思想也被引入到SoC 中IP 核的互連上來。可以預見，隨著技術的進步，將不斷有新的互連方法出現。
圖9 Arteris 公司的NoC 技術的分層
