Integração de Sistemas Baseados em Redes Intra-Chip (NOCs)

1. 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

2. Sumário • Introdução • NoCs Utilizadas no Trabalho • Arquitetura do Processador MET2 • Processador R8 • Integração dos Sistemas • Conclusões NOCs – CMP114 – 2003/I

3. 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

4. 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

5. 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

6. NoCs Utilizadas no Trabalho NOCs – CMP114 – 2003/I

7. Rasoc Comparação Rasoc e Hermes Protocolos Hermes Assíncrono Síncrono NOCs – CMP114 – 2003/I

8. 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 Comparação Rasoc e Hermes Rasoc Hermes NOCs – CMP114 – 2003/I

9. Arquiteturado 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 NOCs – CMP114 – 2003/I

10. 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. NOCs – CMP114 – 2003/I

11. Integração dos Sistemas • Rede Hermes: • Nodo MET2_Hermes • Nodo R8_Hermes • Rede SoCIN: • Nodo FemtoJava_SoCIN • Nodo MET2_SoCIN NOCs – CMP114 – 2003/I

12. Integração dos Sistemas – Nodo MET2_Hermes 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) O nodo envia e recebe pacotes com 5 palavras de 16 bits (1 palavra de cabeçalho + 4 padrões de teste) NOCs – CMP114 – 2003/I

13. Integração dos Sistemas – Nodo R8_Hermes R8  Mestre do barramento Memória externa de programa e dados CDI  Controlador de Interrupções Reg. ID  Registrador de identificação do nodo Periférico Hermes  wrapper + roteador (comunicação com o resto da NoC) NOCs – CMP114 – 2003/I

14. Integração dos Sistemas – Nodo R8_Hermes (cont.) Lógica de cola ponte entre os protocolos do barramento e do Send/Receive Buffers de envio e recebimento de dados NOCs – CMP114 – 2003/I

15. 3 1 2 Integração dos Sistemas – Nodo R8_Hermes (cont.) 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. NOCs – CMP114 – 2003/I

16. Integração dos Sistemas – Nodo FemtoJava_SoCIN Wrapper dividido em dois módulos um de envio e outro de recebimento de dados NOCs – CMP114 – 2003/I

17. Integração dos Sistemas – Nodo FemtoJava_SoCIN NOCs – CMP114 – 2003/I

18. Proposta de Sistema – Nodo FemtoJava_SoCIN FJ FJ FJ Rasoc Socin 00 01 02 FJ FJ 10 11 12 Sistema FJ 20 21 22 FJ FJ FJ NOCs – CMP114 – 2003/I

19. Proposta de Sistema – Nodo FemtoJava_SoCIN FJ_System FJ_core ram rom int_ctrl t0 t1 wrapper rasoc Rasoc NOCs – CMP114 – 2003/I

20. 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

21. Integração dos Sistemas – Nodo MET_SoCIN 1- envio NOCs – CMP114 – 2003/I

22. Integração dos Sistemas – Nodo MET_SoCIN 1- recebimento NOCs – CMP114 – 2003/I

23. Agradecimentos • Aline e Möller (gaph) • Rodrigo • Júlio • Zeferino NOCs – CMP114 – 2003/I

24. 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 NOCs – CMP114 – 2003/I

25. 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 NOCs – CMP114 – 2003/I

26. 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 NOCs – CMP114 – 2003/I