本世纪初,W.J.Dally等基于大规模多处理器与分布式计算网络提出了片上网络这一概念。片上网络互联结构(Network on Chip,简称NoC)的提出,是为了满足片上模块之间通信高带宽、低延时的需求,弥补传统片上总线互联结构中串行总线通信带宽低、可扩展性差的不足。片上网络的基本特征是模块化设计片上互联结构,各计算模块之间通过片上的微型网络进行并行通信,提供高带宽低延时,同时提高可扩展性。片上网络跟传统计算机网络有很多相似之处,比如都有路由器、拓扑结构等设计因素,但片上网络跟传统计算机网络有很大的不同,它是在单芯片上实现的微型网络,要充分考虑功耗和面积限制,以及复杂连线带来的时钟周期增长等问题。因此片上网络的设计是一种问题权衡,关于开销、复杂度、性能等设计标准的权衡,设计目标是在尽可能不增加开销和复杂度的前提下,提高通信性能。由于片上网络与传统网络有上述差异,在片上网络结构设计中要考虑更多的开销限制。本文的研究目的就是基于这些限制,设计出更适合片上网络的拓扑结构、路由器结构及其相关算法,从而使得片上网络得到更好地应用,使得包含片上网络的单片多处理器等片上系统得到更优的系统性能。本文的研究内容主要分为片上网络的结构设计与性能分析两大部分。其中结构设计主要包括拓扑结构设计、路由器调度算法设计、路由算法设计等;性能分析主要分析现有的经典网络设计之间的性能优劣,如调度算法、路由算法、流控机制等。内容具体分为三大部分,第一部分主要包括绪论、研究现状及关键技术、研究平台,即第一章、第二章和第三章;第二部分内容为片上网络结构设计,对应第四章和第五章;第三部分是性能分析与论文总结,包括第六章和第七章。本文的研究方法主要是:基于Popnet与Godson用户级模拟器,针对现有经典网络结构在片上应用的不足,设计性能更有的网络结构,最终分析评估它们的性能优劣。本文的主要研究成果如下:首先,基于经典拓扑结构提出三种新型拓扑结构Xmesh,Storus和Rgrid,其中Xmesh在Mesh结构基础上增加了若干互联线从而减小节点间跳数,同时增大了网络的理想吞吐量,适用于小规模片上网络,Storus以Torus结构为基础,在网络中增加了两个哈密顿圈,适合多播或广播,Rgrid是一个可扩展的拓扑结构,它减小了节点间平均距离又没有引入长连线,适用于中小规模的片上网络。其次,本文针对单通道输入队列路由器提出了三种基于round-robin的调度算法,分别以三种不同的权值作为调度基准,与round-robin调度算法相比较,这些算法能够降低输入负载流的最大延时和平均延时,从而提高系统性能。最后,本文基于蚁群算法提出了一种新的路由算法Ant routing,选择路由时根据每条路径上的信息量多少来选择是否走这条路径,信息量代表该路径的负载繁重程度,该算法可以减轻繁重负载带来的拥塞问题。总之,本文通过结构设计对片上网络实现性能优化,为片上网络结构设计提供了更多更好的设计选项,对传统网络的经典结构进行了评估与比较,通过性能分析为片上网络设计提供了一些经验性的结论。