随着片上系统集成的IP核数目不断增加,传统总线和多层总线在实际应用中由于受到扩展性和带宽的限制,已无法满足片上系统IP核之间的通信需求。片上网络(Network-on-Chip, NoC)通信架构作为一种最有前景的替代技术,被提出并用来解决总线通信架构所面临的问题。NoC采用数据包传输的微网络来实现IP核之间通信。与宏观网络不同,NoC由于受到功耗、芯片面积、通信延迟等限制,对设计者提出了一系列新的挑战。本文主要研究NoC设计中的关键技术问题,着重对片上网络IP核映射方法、路由算法以及片上路由器结构设计进行深入研究。本文的主要研究成果如下：1.在NoC设计中,IP核映射是优化网络性能和能耗的有效方法之一。本文对蚁群算法进行了改进,实现了基于遗传蚁群的低能耗映射算法,该算法使用了与拓扑结构无关的启发信息,因此适用于多种拓扑结构的NoC映射问题。此外,为防止蚁群算法陷入早熟停滞状态,在改进算法中引入染色体杂交和轮盘赌选择等策略。实验结果表明本算法能有效解决多拓扑结构下的NoC映射问题,与基本蚁群映射算法相比,使用本算法对规模为3×3,4×4和5×5的NoC进行映射求解时,通信能耗可分别节约2.2%,6.3%和8.1%。2.针对三维网格NoC拓扑结构特点,改进了片上通信能耗计算模型,并基于拓扑结构划分构造了一种快速低能耗映射方法SYMMAP。实验结果表明,与现有启发式映射算法相比,对于三维网格NoC映射求解,SYMMAP在映射速度、通信能耗等方面均具有较大优势。3.不同映射结果会对NoC的最大通信延迟、功耗、可靠性、峰值温度等参数产生不同影响。NoC映射优化目标有时候需要多方面考虑,针对这个问题,本文综合考虑NoC映射中的热和功耗问题,使用多目标蚁群算法(MOACA)对这两个指标同时优化。MOACA算法能有效找到pareto优化前沿,实现映射后功耗和热平衡的同时优化。实验结果表明,使用MOACA获得的映射方案在降低芯片功耗的同时,也能降低芯片峰值温度。以多视窗显示应用(MWD)为例,与使用单目标功耗优化映射算法PBB所获得的映射方案相比,使用MOACA所获得的映射方案可在芯片功耗大致不变的情况下,峰值温度降低4℃左右。4.路由算法对网络性能和通信效率有着重大影响,设计并实现路由算法是NoC设计过程中的关键步骤之一。针对三维网格NoC映射方案和被映射IP核的通信特征,本文基于通道依赖图设计了一种面向应用的路由路径分配方法。这种路径分配方法可在带宽约束下,实现路由路径自适应性最大化。此外,这种方法无需引入虚拟通道就可保证路由路径无死锁。通过分析和模拟证明,与常见无死锁路由算法相比,本方法产生的路由路径可有效提高网络性能。5.NoC容错技术的主要目标是保证片上路由器产生故障时,片上通信仍不中断。容错路由是一种让NoC具备容错能力的技术手段之一。针对二维网格NoC中的多故障路由器问题,本文提出一种具有多故障容错能力的路由算法MFRT。 MFRT采用动态配置路由路径来容忍多故障路由器在NoC中的不同分布。理论分析和实验结果表明,MFRT能够加强系统通信可靠性,提供可观的NoC容错能力。与XY路由算法以及单故障容错路由算法相比,在路由器故障发生概率为10%的情况下,使用MFRT,片上通信可靠性分别能提高48.3%和9.56%。6.针对片上缓冲消耗硬件资源多且使用效率低的问题,本文设计了名为PSBR的新型片上路由器。该路由器通过缓冲共享的方式提高缓冲的使用效率。为简化PSBR控制电路,本文通过分析片上通信负载分布,将部分端口共享缓冲策略应用于PSBR设计,并基于Verilog硬件描述语言实现了PSBR。综合结果和模拟结果表明,与典型片上路由器相比,在相同通信性能指标下,PSBR可分别节约15%的芯片面积和28.2%的路由器功耗。本文的研究成果为NoC设计与优化提供了一系列可行的方案,为进一步提高NoC的可靠性,可扩展性及实际运行性能提供了理论基础和实践经验。