多核流体系结构原型验证平台的研究与实现

论文摘要

密集计算类应用的蓬勃兴起以及VLSI技术不断发展,使得并行体系结构研究获得了巨大的应用驱动和基础技术支撑,经典的流体系结构向着多核化的趋势发展,多核流体系结构正成为微处理器体系结构研究关注的前沿焦点之一,学术界和工业界已经设计了一系列经典的多核流体系结构和多核流处理器(原型)。但在设计过程中,验证己成为了整个流程中开销最大的工作。为了解决验证的问题,业界也提出了不少验证的方法,虽然这些方法在一定程度上缓解了验证的问题,但是还是没有突破性的方法来彻底解决验证的瓶颈。在目前的情况下,如何更好的利用现有的技术和工具来建立验证环境是验证工程师们关注的焦点和工作的重点。原型验证平台能为体系结构的研究提供不可或缺的验证评估。多核流体系结构作为一种新型的体系结构,采用流模型进行计算,与现有的微处理器体系结构存在很大的不同,现有的验证平台不能支持多核流体系结构的研究,需要开发新的多核流体系结构原型验证平台,同时,随着系统规模的不断扩大,传统的验证平台结构越来越显示出其弊端,需要探究新的验证平台体系结构。在这样的背景下,作者选择了“多核流体系结构原型验证平台的研究与实现”这个课题。本文在深入了解多核流体系结构的基础上,设计并实现了基于多FPGA的多核流体系结构的原型验证平台。验证平台采用模块化技术,分层技术进行设计,阐述的设计思想对其他的验证平台设计具有借鉴意义。本文还设计了片间流互连优化机制,并实现了可配置IP核的形式的互连模块提供给原型系统设计者调用。最后,本文对设计实现的验证平台进行了从模块级到系统级的可靠性分析与测试,并针对本文所在课题组自行设计实现的一种典型的多核流体系结构原型系统——TiSA,进行了验证评估。实验的结果表明,验证平台具有良好的可靠性,灵活性,能够支持多核流体系结构的快速验证,同时具有较好的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 应用需求
• 1.1.2 集成电路工艺的发展
• 1.1.3 体系结构验证技术
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 多核流体系结构研究现状
• 1.2.2 硬件验证平台研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 多核流体系结构验证平台需求分析
• 2.1 TiSA 体系结构
• 2.1.1 顶层硬件结构
• 2.1.2 流处理器核体系结构
• 2.1.3 多核互联结构
• 2.1.4 多核流编程模型
• 2.2 需求分析
• 2.2.1 前期验证支持
• 2.2.2 基于多FPGA 的验证平台
• 2.3 小结
• 第三章 多核流体系结构原型验证平台的设计
• 3.1 设计目标及方法
• 3.1.1 设计目标
• 3.1.2 设计方法
• 3.2 系统整体设计
• 3.2.1 功能模型
• 3.2.2 结构模型
• 3.3 基本验证模块
• 3.3.1 设计思想
• 3.3.2 实现方案
• 3.4 I/O 子系统
• 3.4.1 设计思想
• 3.4.2 实现方案
• 3.5 外设子系统
• 3.5.1 配置调试子系统
• 3.5.2 时钟分配子系统
• 3.5.3 电源分配子系统
• 3.6 互连系统
• 3.6.1 设计思想
• 3.6.2 实现方案
• 3.7 印制电路板
• 3.7.1 PCB 规划设计
• 3.7.2 验证平台实物
• 3.8 小结
• 第四章 验证平台的片间流互连优化
• 4.1 片间互连问题
• 4.2 流互连优化机制
• 4.2.1 优化原理
• 4.2.2 优化方案
• 4.3 流互连优化实现
• 4.3.1 互连模块的IP 核
• 4.3.2 优化效果分析
• 4.4 小结
• 第五章 多核流体系结构原型验证实验
• 5.1 验证平台的可靠性测试
• 5.1.1 模块级可靠性
• 5.1.2 系统级可靠性
• 5.2 原型设计与验证
• 5.2.1 基于多FPGA 的原型设计
• 5.2.2 FPGA 仿真验证流程
• 5.2.3 测试程序编译
• 5.3 验证评估实例
• 5.3.1 资源利用率
• 5.3.2 功能验证
• 5.3.3 性能验证
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果