传输触发微处理器异步功能单元的设计与实现

论文摘要

日趋复杂化和多元化的嵌入式应用对嵌入式微处理器的性能、功耗、成本等各项指标提出了更高的需求。已成熟应用的嵌入式微处理器体系结构及设计技术因此而面临着极大的挑战,嵌入式微处理器设计者必须寻求新的嵌入式微处理器体系结构以及新的电路设计方法,以灵活满足应用对于嵌入式微处理器越来越高的要求。本文针对嵌入式多媒体应用,将传输触发体系结构和异步电路技术有机融合,首先探讨了面向多媒体应用的传输触发微处理器体系结构,并采用异步电路技术对其中的关键功能单元进行了设计与实现,最后提出了一种基于异步功能单元的传输触发微处理器原型结构。(1)首先,本文针对多媒体应用的特点,确定了面向多媒体应用的传输触发微处理器体系结构参数。传输触发微处理器内核具有模块化、结构简单、设计灵活等优点。通过对多媒体应用程序进行分析,得到对传输触发微处理器体系结构设计有意义的特征参数,为设计面向多媒体应用的传输触发微处理器提供了指导信息。基于应用程序分析结果,本文给出了传输触发微处理器体系结构框架,其功能单元比例和各种具体参数配置均符合多媒体应用对嵌入式微处理器体系结构的需求。(2)其次,本文采用基于宏单元的异步电路设计流程在0.18μm工艺条件下设计实现了一款32位异步子字并行乘累加单元。该单元的数据通路采用特殊的部分积生成电路,通过把累加数作为部分积添加到压缩树,减少了一级累加的延迟;而且由于采用异步电路设计,该单元的功耗相比对应的同步单元具有较大的优势。(3)同时,本文设计了一款32位异步子字并行ALU单元。该单元能完成算术、逻辑、移位和多媒体扩展等运算。由于加法器是ALU单元的核心功能部件,它的性能决定着整个ALU单元的性能,所以本文主要对子字并行加法器进行了设计。在0.18μm工艺条件下的评测结果表明,该异步单元在性能上和具有相同数据通路的同步ALU单元相当,在功耗方面则具有相当大的优势。(4)最后,本文提出了基于异步功能单元的传输触发微处理器原型结构。在面向多媒体应用的传输触发微处理器体系结构基础上,通过设计异步功能单元封装模块,将本文设计实现的异步子字并行乘累加单元和异步子字并行ALU单元应用到传输触发微处理器中,提出了基于异步功能单元的传输触发微处理器原型结构。这种结构融合了传输触发体系结构和异步电路的优点,因而为要求高性能、低功耗的嵌入式应用领域提供了一种非常好的设计模板。为探讨异步功能单元对传输触发微处理器各方面参数的影响,本文给出了这种结构的初步评估。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 嵌入式应用对微处理器设计的挑战
• 1.1.2 传输触发体系结构及其特点
• 1.1.3 异步集成电路的优势
• 1.1.4 课题来源
• 1.2 异步电路基本概念
• 1.2.1 握手协议
• 1.2.2 C 门
• 1.2.3 延迟控制
• 1.2.4 异步电路基本类型
• 1.3 相关工作
• 1.3.1 异步微处理器研究现状
• 1.3.2 异步集成电路设计技术
• 1.4 论文研究内容及工作
• 1.5 论文结构
• 第二章 面向多媒体应用的传输触发微处理器体系结构
• 2.1 传输触发微处理器设计开发环境
• 2.1.1 体系结构描述文件
• 2.1.2 软件设计环境
• 2.2 多媒体应用程序分析
• 2.2.1 目标应用程序集
• 2.2.2 程序特征分析
• 2.3 基于分析结果的传输触发微处理器体系结构
• 2.4 本章小结
• 第三章 异步子字并行乘累加单元
• 3.1 异步子字并行乘累加单元体系结构
• 3.2 数据通路
• 3.2.1 部分积生成电路
• 3.2.2 部分积压缩
• 3.2.3 最后一级加法器的设计
• 3.3 异步控制通路
• 3.4 异步子字并行乘累加单元的实现及评测
• 3.4.1 面积比较
• 3.4.2 性能比较
• 3.4.3 功耗比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 异步子字并行ALU 单元
• 4.1 异步子字并行ALU 单元总体结构
• 4.2 数据通路设计
• 4.2.1 数据通路设计中的优化技术
• 4.2.2 子字并行加法器
• 4.2.3 子字并行操作中的溢出处理
• 4.2.4 数据通路中其它单元的设计
• 4.3 控制通路设计
• 4.4 异步子字并行ALU 单元的实现及评测
• 4.4.1 面积和性能评测
• 4.4.2 功耗评测
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于异步功能单元的传输触发微处理器原型
• 5.1 基于异步功能单元的传输触发微处理器原型
• 5.1.1 异步功能单元封装模块
• 5.1.2 基于异步功能单元的传输触发微处理器原型结构
• 5.2 原型结构及功耗评估
• 5.2.1 功耗评估模型
• 5.2.2 功耗评估结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果