三维片上网络通信SoC及安全性研究

The NoC-based highly parallel System on Chip(SoC) structure has become mainstream for embedded systems. For reducing resource and power consumption and getting more rapid and efficient communication between multicores, this research subject analyzes the traffic characteristics of NoC, studies the honeycomb-like 3D NoC topology and dynamic adaptive routing algorithm. For the requirements of task scheduling, the research subject builds a new task model so that it reflects better the real inter-task relations, designs effective task scheduling and mapping algorithm with expected more scheduling efficiency of operating system. Meanwhile, For the embedded system's security is threatened, this subject studies the security policies and methods of embedded systems Combined with NoC architecture, enhances the access control model to improve the security level of the entire system. The research findings will form a new SoC system which with high-level security, high-speed on-chip network communication and high-efficiency task parallel scheduling, it can be widely used in fields of embedded environments.

基于片上网络通信的嵌入式多核SoC成为嵌入式发展主流。本项目通过分析片上网络通信特点，研究类蜂窝状的三维网络拓扑和快速自适应路由算法，在降低片上资源占用和功耗的同时，更加快速高效的实现多核间通信；针对嵌入式操作系统在异构多核任务调度方面需求，建立能真实反映任务间制约关系的任务模型，设计快速任务调度映射算法，增强操作系统的多核任务调度能力，提高整个系统的运行效率；同时，针对嵌入式系统来自安全方面的威胁与攻击的现实，结合NoC体系结构，研究嵌入式系统在自主安全防护方面的策略及方法，通过增强操作系统安全访问控制模型，提高整个系统的安全等级，有效保护系统安全。研究成果将形成一个具有高安全等级、高速片上网络通信、高效任务并行调度的SoC系统，可广泛应用于各种嵌入式环境中。

基于片上网络通信的嵌入式多核SoC成为嵌入式发展主流。本项目通过分析片上网络通信优缺点，深入研究了三维网络拓扑和自适应路由方法、多核间任务快速调度与映射方法、能耗控制方法、嵌入式SoC系统（包括操作系统与硬件系统）自主安全防护策略、以及基于嵌入式平台的一系列技术应用等方法。针对三维片上网络拓扑和自适应路由方法中存在的拥塞或故障节点等问题，提出了双端口的网络接口(NI)，提高了整个拓扑的容错能力；针对传统任务模型包含有效信息少，任务调度算法效率低、效果差的问题，设计了新的任务模型，提出了一种改进的粒子群算法(oPSO)；针对NoC中典型的缓存结构和替换算法存在资源消耗大、访问延迟长、难以满足基于NoC的多核系统对核数目不断增加的要求，提出了一种部分共享的缓存结构，并提出了一种CA-RRIP缓存替换算法；针对嵌入式SoC通信过程中的能耗问题，借鉴WSNs存在的节能问题，提出了一系列降低及均衡通信能耗的策略；针对现有的数据完整性与机密性检查方案占用内存空间过多，无法直接应用到嵌入式系统中的问题，提出了一种基于优化的动态密钥和压缩计数器的内存机密性保护方法；针对嵌入式系统在访问控制、识别与认证、硬件安全等防护方面存在的不足，提出了一种基于可扩展访问控制标记语言数据流模型的敏感信息细粒度访问控制框架、统一身份认证模型、安全IP部署策略。对于系统应用方面存在的问题，例如在三维场景重建以及图像处理中，深入研究了3D数据本身的缺陷及其对应关系提取方法，区域增长原理中的封闭式和自由式数据集，以及现有图像噪声盲估计方法等的局限性，提出了一系列有效的方法，包括一种距离差异矩阵、基于快速自修复投影的曲面重构算法、针对加性高斯噪声和乘性高斯噪声的强度估计方法，用于解决所构建的NoC架构SoC系统在实际应用中的问题。这些研究的开展，将会进一步开拓基于NoC架构的多核SoC系统在实时性、高速性、高效性、高可靠性与安全性等方面的应用，研究成果可用于军事、民用等相关领域，具有较好的理论和应用价值。