随着信息技术和半导体技术的飞速发展,集成在多核处理器上的IP核(知识产权核)数量显著增长,整体通信的数据量越来越大,对通信链路的带宽和时延性能提出了更高的要求。传统的基于总线型的片上系统在通信量不断上升的情况下,信号时延和功耗急剧增大,多个IP核对通信资源的竞争频繁,使其无法满足多核处理系统日益增长的通信需求。近年来在硅基纳米光子学技术上的突破使得在片上系统中部署光通信成为可能。光链接具有高带宽、低时延、低功耗等特点,一旦光路建好后,数据的端到端的传输不再需要消耗能量。这使得片上光网络(Optical Network on Chip,ONoC)得到了许多研究的关注。未来多核系统的性能提升很大程度上取决于互联网络的性能,本文主要研究片上光网络架构,包括拓扑设计,路由与资源协议,冲突控制等。论文主要创新点总结如下:(1)基于嵌套环的多片片上光网络拓扑设计随着片上系统中集成的IP核数进一步上升,片上系统的可扩展性将受到单个芯片制良率和功耗密度的限制。而多片片上光网络可以缓解这些问题。本文基于多片架构提出了一种新颖的基于嵌套环的多片片上光网络结构NRO。该架构包括片间和片内网络,针对片内网络本文提出了一种新型的嵌套环拓扑,而片间网络则用较为简单的环状拓扑。嵌套环拓扑与传统的环状和CMesh拓扑相比,具有更短的传输距离。为了进一步提升NRO结构的可扩展性,使其在不同规模系统中都能展现最优的性能,本文提出了一种根据网络总核数确定拓扑参数的规划方案。此外,本文针对大规模片上系统(千核级别),在嵌套环多片片上光网络的基础上提出拓扑优化方案,在保证网络功耗效率的前提下提升网络性能。(2)大规模片上光网络中的控制策略在大规模的片上光网络中,控制策略至关重要,会直接影响网络的吞吐量、数据发送时延等方面性能。本文比较了前向资源预留与后向资源预留方案的相关性能,仿真结果显示后向预留方案在大规模片上光网络中,可以显著降低建路过程资源冲突导致的流量阻塞。在此基础上,本论文提出了一种新颖的资源规划方案,为片上关键节点提供更多的波长数量,并设计了相应的交换节点结构,以降低由资源不足导致的冲突,同时保持普通节点的带宽不变,来维持较低的功耗。对于无法避免的冲突,本文提出了一种基于k-path路由的综合冲突管理方案,根据冲突发生的位置,对被阻塞的报文进行缓存或者重路由,该方案可以进一步降低冲突对网络性能的影响。(3)通信模式自适应的可重构片上光网络结构与控制机制片上系统中所运行应用的通信模式通常呈现高动态性,而目前的片上光网络架构多为某种或者某几种通信模式设计,这种片上光网络架构在一些通信模式可能具有较好的性能,然而无法满足其他通信模式的需求。可重构的片上光网络可以通过实时改变拓扑来适应动态变化的通信模式,满足不同通信模式的通信需求。本文提出了一种可重构的片上光网络TFONoC,可以配置为Torus架构或者Firefly架构来路由不同业务。为了实现网络的可重构机制,本文提出了一种新颖的低功耗可重构复合光路由器结构。此外,本文提出了高效低开销的重构算法,可根据实时的通信模式来判断网络是否需要进行重构,优化应用在网络中的整体性能。