低功耗专用指令集处理器设计与优化

论文摘要

专用指令集处理器作为嵌入式设计中一种新型的处理器类型,受到越来越多的设计者的关注。它是一种为特定功能而设计,并能够根据应用的需要来对处理器速度,功耗,面积等方面进行衡量,得到最优化设计的一种处理器。在嵌入式设计领域,专用指令集处理器有非常好的应用前景。本文主要介绍专用指令集处理器设计方法,包括内部结构设计和指令集设计。根据助听器算法中的多通道分离,宽动态压缩等算法,设计了加速模块,并且更新了指令集,优化了硬件结构,降低了处理器功耗。本文所做的主要研究和设计包括：(1)本文首先介绍专用指令集处理器的内部结构；(2)介绍该处理器中的指令集,包括在该处理器中该指令集是如何正常工作的；(3)按照专用指令设计方法,设计了指数运算模块,对数运算模块等加速模块；(4)重点介绍了针对助听器算法中较为常用的FFT运算中的蝶形运算模块；(5)对存储器电路进行了深入的分析,从内部结构到电路的整体特性进行了细致的介绍；(6)针对本处理器设计了循环缓存结构,优化了程序存储器结构,减少了整个处理器的功耗。本文对专用指令集处理器电路进行了深入的分析和设计,并且给出了FPGA验证,物理硬件设计,后仿结果,功能验证以及芯片的功耗评估结果。程序存储器采用改进的循环缓存结构后,处理器功耗降低20%,实现低功耗存储器设计。芯片的裸片面积为1.33X1.23mm2。在实际的芯片测试中,工作频率为20MHz,芯片的总功耗为162μ W/MHz,符合极低功耗的设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 ASIP背景概述
• 1.3 ASIP设计概述
• 1.4 低功耗相关技术
• 1.4.1 静态功耗
• 1.4.2 动态功耗
• 1.5 处理器低功耗设计优化
• 1.6 整体设计思路及实现手段
• 1.7 论文的主要结构
• 第2章 ASIP处理器结构设计
• 2.1 专用指令集处理器结构
• 2.2 处理器内部模块电路设计
• 2.2.1 程序计数器单元
• 2.2.2 指令译码器单元
• 2.2.3 算术逻辑单元
• 2.2.4 乘累加（MAC）单元
• 2.2.5 地址产生单元（AGU）
• 2.2.6 寄存器堆模块
• 2.2.7 存储器单元
• 2.2.8 处理器相关外围设备
• 2.3 处理器指令集
• 2.3.1 处理器指令分类
• 2.3.2 数据传输类指令设计
• 2.3.3 数据运算类指令设计
• 2.3.4 32位长运算类指令设计
• 2.3.5 过程控制类指令设计
• 2.4 处理器流水线
• 2.5 本章小结
• 第3章 专用指令集处理器算法及应用
• 3.1 语音助听器算法设计
• 3.1.1 多通道分离算法
• 3.1.2 宽动态压缩算法
• 3.1.3 噪声消除算法
• 3.2 关键算法指令
• 3.2.1 主函数设计
• 3.2.2 WDRC指令设计
• 3.2.3 消噪运算指令设计
• 3.3 助听器算法的指令程序
• 3.4 专用指令设计及其模块设计方法
• 3.5 对数,开方等运算类专用指令模块设计
• 3.6 基于ASIP设计方式的Butterfly运算设计
• 3.7 小结
• 第4章 程序存储器低功耗优化设计
• 4.1 存储器设计分析
• 4.1.1 存储器面积结构
• 4.1.2 存储器内部电路结构
• 4.1.3 存储器电路功耗分析
• 4.2 存储器设计方法分析
• 4.3 存储器循环缓存设计
• 4.3.1 存储器设计讨论
• 4.3.2 循环缓存设计
• 4.3.3 循环缓存的结构
• 4.3.4 对于循环缓存结构的改进型设计
• 4.4 小结
• 第5章 ASIP设计实现和相关功耗结果
• 5.1 功能仿真和FPGA验证
• 5.1.1 前端功能仿真
• 5.1.2 FPGA验证
• 5.2 ASIP设计及其相关的流程
• 5.2.1 综合设计综述
• 5.2.2 综合准备阶段
• 5.2.3 综合脚本的编写
• 5.2.4 功耗仿真
• 5.2.5 后端版图布局布线
• 5.2.6 电路后仿真
• 5.3 循环缓存功耗优化对比
• 5.4 功能验证
• 5.5 ASIP芯片版图和验证结果
• 5.6 小结
• 结论
• 全文总结
• 改进及后续工作建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录