基于新一代SOC设计方法学的可配置处理器

论文摘要

为了迎接集成电路设计业所面临的各种挑战,新一代SoC设计方法学应运而生。它的中心思想是,将集成电路设计从以硬连线逻辑为中心的模式转移到以处理器为中心的模式上来:通过广泛地使用可配置处理器,赋予SoC高度的灵活性,使之贯穿整个设计验证流程甚至上市后的维护阶段,从而极大地提高集成电路的开发效率。在该设计方法学的框架中,用作SoC基本组成单位的可配置处理器无疑是最为关键的技术。本文在这一点上进行了探索性的研究:提出并实现了满足可配置、可扩展和接口灵活性要求的处理器架构,包括便于扩展、高度集成的基准架构和以音频专用处理为应用目标的扩展架构。实验结果表明,本文所提出的架构在性能、成本上与目前主流的解决方案相比具有比较明显的优势:所提出的基准架构运用了改进的指令字段分配策略,从而达到性能、复杂度与灵活性的平衡。其可综合软核与同类IP相比,具有良好的时序特性和可观的面积优势(在Virtex IV FPGA上最高频率超过120MHz,最小面积866个LUT)。所提出的音频扩展架构基于一种高效的数据流模型,在保留了RISC流水线优点的前提下,综合了指令并发执行、存储器并行访问、灵活寻址模式、后处理以及零开销循环等技术,最终有效提高了处理效率。性能分析表明:在该架构上实现的FFT等音频处理算法,速度是同等条件下ARM9E的6倍和ARC600(带DSP增强功能)的5倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 新一代SOC 设计方法学的提出
• 1.1.1 现有SoC 设计方法面临的问题
• 1.1.2 新一代SOC 设计方法学与可配置处理器
• 1.1.3 可配置处理器系统
• 1.2 本文的研究重点与组织结构
• 1.2.1 研究重点
• 1.2.2 组织结构
• 第二章 可配置处理器的基准架构
• 2.1 基准架构的设计原则
• 2.1.1 精简性原则
• 2.1.2 完备性原则
• 2.1.3 可扩展性原则
• 2.2 指令格式的设计
• 2.2.1 设计思路
• 2.2.2 基准架构的指令格式
• 2.3 寄存器定义
• 2.3.1 核心寄存器空间
• 2.3.2 特殊寄存器空间
• 2.4 指令集定义
• 2.4.1 指令集的分类
• 2.4.2 算术逻辑指令
• 2.4.3 比较指令
• 2.4.4 控制转移指令
• 2.4.5 数据转移指令
• 2.4.6 特殊指令
• 2.5 本章小结
• 第三章 基准处理器的实现
• 3.1 流水线分析
• 3.1.1 5 级流水线分析
• 3.1.2 3 级流水线分析
• 3.1.3 4 级流水线分析
• 3.1.4 三种流水方案的比较
• 3.2 流水线实现
• 3.2.1 总体结构
• 3.2.2 指令地址生成与取指
• 3.2.3 译码
• 3.2.4 控制转移
• 3.2.5 运算
• 3.2.6 访存
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 时序特性
• 3.3.2 面积特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 音频扩展架构的设计
• 4.1 算法分析与设计目标
• 4.1.1 常用数学工具
• 4.1.2 算术特性
• 4.1.3 数据流特性
• 4.1.4 控制流特性
• 4.1.5 音频扩展架构的设计目标
• 4.2 音频扩展架构的设计
• 4.2.1 数据流模型
• 4.2.2 流水线模型
• 4.2.3 扩展存储接口与三段式并发指令
• 4.2.4 寻址模式
• 4.2.5 后处理与定点化
• 4.2.6 硬件循环支持
• 4.2.7 SOC 系统框架
• 4.3 扩展寄存器定义
• 4.3.1 操作数寄存器
• 4.3.2 模式寄存器
• 4.3.3 零开销循环寄存器
• 4.4 扩展指令集定义
• 4.4.1 并发数据流指令
• 4.4.2 零开销循环指令
• 4.5 本章小结
• 第五章 性能分析
• 5.1 音频扩展架构上的FFT 算法
• 5.1.1 FFT 算法分析
• 5.1.2 FFT 算法实现
• 5.1.3 FFT 性能分析与比较
• 5.2 其他算法的性能
• 5.2.1 FIR、IIR 和卷积的算法分析
• 5.2.2 FIR、IIR 和卷积的性能分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录