专用指令集处理器（ASIP）体系结构设计研究

论文摘要

专用指令集处理器（ASIP，Application Specific Instruction Set Processor）是一种新型的具有处理器结构的芯片，它为某个或某一类型应用而专门设计。通过权衡速度、功耗、成本、灵活性等多个方面的设计约束，设计者可以定制ASIP达到最好的平衡点，从而适应嵌入式系统的需要。因而ASIP在嵌入式领域具有良好的应用前景。 ASIP设计需要面对多种类型的应用定制最优的体系结构，应用多样性和设计时效性是迫切需要解决的问题。然而，目前ASIP体系结构设计的研究大多在某个局部展开，难以提供一种具有易用性、快速性和可评估性的设计方法和环境。所以，本文在对具体的ASIP设计步骤和现有设计方法学进行分析的基础上，提出一种“描述-搜索-细化”的ASIP体系结构设计流程，研究了设计中体系结构描述、搜索与低功耗优化的问题，并依此实现完整的设计环境原型。主要研究归结为 ① 基于ASIP体系结构描述语言xpADL的软件工具生成技术。使用体系结构描述语言xpADL驱动设计流程，设计和实现了描述语言可执行语义的转化和扩展机制，支持快速的功能性验证和性能估计。 ② 基于基本指令集方法的指令集定制和结构属性设计空间搜索技术。定制指令集时利用性能、能耗、面积等多指标归一化模型评估指令集扩展的效果，并采用低功耗状态编码的思想进行指令字编码。同时，采用自动生成的软件工具对由流水线、功能部件、存储部件等构成的结构属性设计空间进行搜索，得到最优的ASIP体系结构。 ③ 结合ASIP体系结构特征，以应用特征为指导，针对指令集（程序代码）、流水线和存储部件进行了低功耗优化研究。 ④ 在上述研究的基础上，实现了一个支持“描述-搜索-细化”设计流程的ASIP体系结构设计环境原型A2IDE，并基于此平台定义了采用ARM、PISA和Vcore等体系结构的实验型ASIP，验证了A2IDE的有效性。 本论文做出的贡献主要体现在： （1）在深入分析已有的电子系统设计方法学的基础上，实现了“描述-搜

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 ASIP应用背景
• 1.1.1 ASIP优势
• 1.1.2 ASIP设计非功能约束
• 1.2 ASIP设计相关研究
• 1.2.1 应用分析
• 1.2.2 体系结构设计
• 1.2.3 代码综合
• 1.2.4 硬件综合
• 1.3 低功耗优化技术
• 1.3.1 功耗基本知识
• 1.3.2 低功耗研究层次划分
• 1.3.3 几种典型低功耗优化方法
• 1.4 论文组织
• 第2章 ASIP设计方法学研究
• 2.1 引言
• 2.2 电子系统设计方法学
• 2.2.1 传统设计方法
• 2.2.2 基于IP复用的设计方法学
• 2.2.3 软硬件协同的设计方法学
• 2.2.4 基于平台的设计方法学
• 2.3 ASIP设计方法学
• 2.3.1 设计方法分析
• 2.3.1.1 传统设计方法局限性
• 2.3.1.2 设计方法学评价
• 2.3.2 ASIP设计的需求
• 2.3.3 “描述-搜索-细化”设计方法学
• 2.3.3.1 基于描述、搜索和细化的设计
• 2.3.3.2 高抽象级别设计方法的优势
• 2.3.3.3 设计流程
• 2.4 小结
• 第3章 ASIP体系结构描述研究
• 3.1 引言
• 3.2 体系结构描述语言XPADL
• 3.2.1 一种专用语言
• 3.2.2 xpADL描述的体系结构
• 3.2.3 元语言XML
• 3.3 体系结构描述中的新特征
• 3.3.1 体系结构表示
• 3.3.2 层次描述
• 3.3.3 体系结构描述
• 3.4 设计任务间的信息交换
• 3.4.1 编译器接口
• 3.4.2 结合器接口
• 3.4.3 其他
• 3.5 可执行语义转化和扩展
• 3.5.1 可执行语义转化技术
• 3.5.1.1 执行模型
• 3.5.1.2 译码树
• 3.5.1.3 指令功能函数
• 3.5.2 性能估计扩展
• 3.5.2.1 执行模型
• 3.5.2.2 行为划分
• 3.5.2.3 统一的流水线控制模型
• 3.5.2.4 对复杂流水线行为的支持
• 3.5.3 实验结果
• 3.6 小结
• 第4章 ASIP体系结构设计研究
• 4.1 引言
• 4.2 基本指令集方法
• 4.3 指令集定制
• 4.3.1 指令集扩展
• 4.3.1.1 DFG模型及其构建
• 4.3.1.2 指令集扩展
• 4.3.1.3 归一化评估
• 4.3.2 低功耗编码
• 4.3.2.1 翻转模型
• 4.3.2.2 状态编码
• 4.3.2.3 状态编码调整算法
• 4.3.2.4 实验结果
• 4.4 结构属性的设计空间及搜索
• 4.4.1 面向超标量和VLIW目标体系结构
• 4.4.2 三类重要的结构属性
• 4.4.2.1 指令流相关的结构属性
• 4.4.2.2 寄存器数据流相关的结构属性
• 4.4.2.3 存储器数据流相关的结构属性
• 4.4.3 搜索实验
• 4.5 小结
• 第5章 ASIP体系结构低功耗优化技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 寄存器二次分配
• 5.2.1 应用特征
• 5.2.2 寄存器二次分配
• 5.2.3 寄存器编码调整算法
• 5.3 循环缓冲
• 5.3.1 应用特征
• 5.3.2 循环缓冲原理
• 5.3.3 代码扩充
• 5.3.4 硬件体系结构
• 5.3.5 软件工具支持
• 5.3.6 评估方法
• 5.4 X路组相联CACHE
• 5.4.1 应用特征
• 5.4.2 基本思想
• 5.4.3 X路组相联Cache结构
• 5.4.4 有效性结束
• 5.4.5 评估方法
• 5.5 小结
• 第6章 ASIP体系结构设计环境原型
• 6.1 引言
• 2IDE'>6.2 设计环境原型A²IDE
• 6.2.1 应用分析器
• 6.2.2 用户图形界面
• 6.2.3 可重定向编译器
• 6.2.4 自动化工具和仿真评估系统
• 6.2.5 综合工具
• 6.2.6 基准程序集
• 6.3 VCORE简介
• 6.3.1 Vcore体系结构
• 6.3.2 操作编码格式
• 6.3.3 操作定义
• 6.3.4 流水线
• 6.4 实验结果
• 6.4.1 体系结构描述
• 6.4.2 体系结构低功耗优化技术设计空间搜索
• 6.4.2.1 寄存器二次分配实验结果
• 6.4.2.2 循环缓冲实验结果
• 6.4.2.3 X路组相联Cache实验结果
• 6.4.3 Vcore相关实验
• 6.5 小结
• 第7章 结束语
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的学术论文目录
• 致谢