Nghiên cứu NOC cấu hình lại trên FPGA và phát triển thuật toán ánh xạ động ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Văn Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Ngọc Nam
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử và Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Nghiên Cứu Noc Cấu Hình Lại Trên Fpga Và Phát Triển Thuật Toán Ánh Xạ Động
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Lý thuyết về mạng trên chip
• 1.2. Nguồn gốc và thuật ngữ
• 1.3. Cấu hình mạng
• 1.4. Mạng lưới n-chiều (n-Dimensional Mesh)
• 1.5. Mạng K-ary n-cube
• 1.6. Mạng có số chiều thấp
• 1.7. Cơ chế điều khiển luồng
• 1.7.1. Cơ chế điều khiển luồng Store-and-Forward (SAF)
• 1.7.2. Cơ chế điều khiển luồng Wormhole (WH)
• 1.7.3. Cơ chế điều khiển luồng Virtual cut-through (VCT)
• 1.7.4. Cơ chế điều khiển luồng kênh ảo (Virtual Channel)
• 1.8. Thuật toán định tuyến
• 1.8.1. Phân loại định tuyến
• 1.8.2. Các vấn đề trong định tuyến
• 1.9. Tổng quan kiến trúc bộ định tuyến
• 1.10. Công nghệ FPGA
• 1.10.1. Kiến trúc FPGA
• 1.10.2. Tổng quan kiến trúc FPGA
• 1.10.3. Kiến trúc FPGA của Xilinx
• 1.10.4. Cấu hình lại từng phần
• 1.10.5. Cấu hình lại từng phần động
• 1.10.6. Các ưu điểm của cấu hình lại từng phần
• 1.10.7. Hỗ trợ cấu hình lại trong FPGA của Xilinx
• 1.11. Kỹ thuật ánh xạ ứng dụng lên nền tảng mạng trên chip
• 1.11.1. Bài toán ánh xạ
• 1.11.2. Ánh xạ tại thời gian thiết kế
• 1.11.3. Ánh xạ tại thời gian chạy
• 1.12. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN NỀN TẢNG PHẦN CỨNG CẤU HÌNH LẠI ĐƯỢC CHO NoC
• 2.1. Thiết kế bộ định tuyến cho NoC
• 2.1.1. Đề xuất kiến trúc bộ định tuyến
• 2.1.2. Lựa chọn các thông số thiết kế
• 2.1.3. Bộ đệm ngõ vào
• 2.1.4. Bộ giải mã flit
• 2.1.5. Chuyển mạch và kênh ảo
• 2.1.6. Bộ phân xử
• 2.1.7. Kết quả và đánh giá
• 2.1.7.1. Kết quả tổng hợp
• 2.1.7.2. Kết quả mô phỏng
• 2.2. Thiết kế bộ giao tiếp mạng cho NoC
• 2.2.1. Phương pháp tiếp cận
• 2.2.2. Đề xuất kiến trúc bộ giao tiếp mạng
• 2.2.3. Kết quả và đánh giá
• 2.3. Phát triển nền tảng phần cứng cấu hình lại từng phần động
• 2.3.1. Xây dựng hệ thống (nền tảng phần cứng) cấu hình
• 2.3.2. Luồng thiết kế
• 2.3.3. Thiết lập hệ thống
• 2.3.4. Các trường hợp nghiên cứu
• 2.3.4.1. Cấu hình lại cơ sở hạ tầng truyền thông
• 2.3.4.2. Cấu hình lại các PE
• 2.3.5. Kết quả thực nghiệm
• 2.4. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI CÁC ỨNG DỤNG CÓ THỂ ĐIỀU CHỈNH MỨC CHẤT LƯỢNG VÀO NỀN TẢNG CẤU HÌNH LẠI ĐƯỢC DỰA TRÊN NoC TẠI THỜI GIAN CHẠY
• 3.1. Mô tả bài toán ánh xạ
• 3.2. Các định nghĩa và xây dựng bài toán ánh xạ
• 3.2.1. Mô hình ứng dụng
• 3.2.2. Đồ thị tác vụ ứng dụng
• 3.2.3. Mô hình chất lượng
• 3.2.4. Mô hình phần cứng
• 3.2.5. Xây dựng bài toán ánh xạ
• 3.3. Các giải pháp cho bài toán ánh xạ các ứng dụng lên NoC tại thời gian chạy
• 3.3.1. Giải pháp tối ưu sử dụng thuật toán tìm kiếm đầy đủ
• 3.3.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá
• 3.3.3. Giải pháp heuristic cho bài toán ánh xạ tại thời gian chạy
• 3.3.3.1. Chiến lược chọn vùng gần lồi
• 3.3.3.2. Thuật toán ánh xạ heuristic
• 3.3.3.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá
• 3.4. Kết luận chương
• Nội dung và các kết quả đạt được của luận án
• Đóng góp khoa học của luận án
• Hướng phát triển của luận án
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về NOC và FPGA

NOC (Network-on-Chip) là một kiến trúc truyền thông tiên tiến cho các hệ thống trên chip (SoC). Nó cho phép kết nối nhiều lõi xử lý (Processing Elements - PE) một cách hiệu quả. FPGA (Field Programmable Gate Array) là một công nghệ cho phép cấu hình lại phần cứng, mang lại tính linh hoạt cao cho việc thiết kế hệ thống. Việc kết hợp NOC với FPGA tạo ra một nền tảng mạnh mẽ cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và khả năng mở rộng. NOC cung cấp một cơ sở hạ tầng truyền thông có khả năng xử lý song song, trong khi FPGA cho phép cấu hình lại động, giúp hệ thống thích ứng với các yêu cầu thay đổi của ứng dụng. "NOC được đề xuất như là một giải pháp cho truyền thông giữa các IP trong thiết kế các SoC phức tạp".

1.1. Cấu hình lại trên FPGA

Cấu hình lại trên FPGA cho phép thay đổi chức năng của phần cứng mà không cần thay đổi thiết kế vật lý. Điều này rất quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng có thể điều chỉnh mức chất lượng. Việc sử dụng kỹ thuật ánh xạ động giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và cải thiện hiệu suất. "Khả năng cấu hình động cho phép nền tảng thích nghi với các yêu cầu xử lý thay đổi của các ứng dụng".

1.2. Thuật toán ánh xạ động

Thuật toán ánh xạ động là một phần quan trọng trong việc triển khai các ứng dụng trên nền tảng NOC. Nó cho phép điều chỉnh mức chất lượng của ứng dụng theo tài nguyên sẵn có của nền tảng phần cứng. Các giải pháp tối ưu và heuristic được đề xuất để giải quyết bài toán ánh xạ, giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền thông. "Kỹ thuật ánh xạ ứng dụng động kết hợp với khả năng cấu hình lại từng phần động của thiết bị phần cứng như FPGA sẽ tạo ra một giải pháp hứa hẹn".

II. Phát triển nền tảng phần cứng

Phát triển nền tảng phần cứng cho NOC trên FPGA bao gồm thiết kế bộ định tuyến và bộ giao tiếp mạng. Kiến trúc bộ định tuyến được đề xuất nhằm tối ưu hóa việc truyền thông giữa các PE. Bộ giao tiếp mạng cũng được thiết kế để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác nhau, đảm bảo tính linh hoạt và hiệu suất cao. "Thiết kế bộ định tuyến cho NoC là một yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền thông".

2.1. Kiến trúc bộ định tuyến

Kiến trúc bộ định tuyến được thiết kế để hỗ trợ nhiều phương thức điều khiển luồng khác nhau như Store-and-Forward (SAF) và Wormhole (WH). Điều này giúp cải thiện hiệu suất truyền thông và giảm thiểu độ trễ. "Tổng quan kiến trúc bộ định tuyến cho thấy sự cần thiết phải tối ưu hóa các cơ chế điều khiển luồng".

2.2. Kết quả và đánh giá

Kết quả mô phỏng cho thấy nền tảng phần cứng cấu hình lại được có khả năng xử lý nhiều ứng dụng cùng lúc với hiệu suất cao. Việc đánh giá hiệu suất dựa trên các chỉ số như thông lượng và độ trễ cho thấy nền tảng này đáp ứng tốt các yêu cầu của các ứng dụng đa phương tiện. "Kết quả mô phỏng và đánh giá cho thấy nền tảng phần cứng có khả năng đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng hiện đại".

III. Ứng dụng và triển khai

Việc triển khai các ứng dụng có thể điều chỉnh mức chất lượng vào nền tảng cấu hình lại được dựa trên NOC tại thời gian chạy là một thách thức lớn. Các ứng dụng này cần được mô hình hóa và ánh xạ một cách hiệu quả để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). "Mô hình ứng dụng và đồ thị tác vụ là những công cụ quan trọng trong việc xây dựng bài toán ánh xạ".

3.1. Mô hình ứng dụng

Mô hình ứng dụng được xây dựng dựa trên đồ thị tác vụ, cho phép xác định các tác vụ và mối quan hệ giữa chúng. Điều này giúp tối ưu hóa việc phân phối tài nguyên và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. "Mô hình hóa ứng dụng là bước quan trọng trong việc phát triển các thuật toán ánh xạ".

3.2. Kết quả triển khai

Kết quả triển khai cho thấy khả năng điều chỉnh mức chất lượng của các ứng dụng dựa trên tài nguyên sẵn có. Việc sử dụng các thuật toán ánh xạ động giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền thông. "Kết quả triển khai cho thấy nền tảng có khả năng thích ứng với các yêu cầu thay đổi của ứng dụng".