面向特定应用的指令集处理器设计方法研究

论文摘要

随着多媒体技术和通讯技术的飞速发展,多媒体视频数据应用对于处理器的性能提出了越来越高的要求,本课题针对该应用的未来需求,展开了流媒体处理的特定应用处理器结构的研究和设计。论文提出了一种基于超长指令字结构的可配置处理器结构,该结构采用自行提出的可配置处理器核与专用功能单元相结合的方式实现面向特定应用的处理器设计,可以有效降低多媒体处理器的设计周期。为了降低超长指令字处理器中的寄存器代价,论文中提出了RFCC-VLIW通用寄存器访问结构,采用一个全局寄存器堆实现处理器中不同簇之间的互连。在此基础上建立了寄存器访问结构的性能分析模型,研究结果表明,采用该结构的处理器可以有效降低寄存器堆的面积、功耗、延时等方面的代价。针对这种处理器结构,论文中还给出了一种目标处理器验证策略,该方案基于模拟验证的方法,采用确定性向量和伪随机向量相结合的方式产生处理器的验证向量。确定性向量（目标应用编写的应用函数和“验证死角”问题等）采用人工编写方式生成,伪随机向量采用遗传算法自动生成,验证结果证明这是一个有效的验证方案,代码功能覆盖率可达到99.9%。基于本论文提出的可配置处理器结构,设计并实现了两个数字信号处理器:THUASDSP2004和THUMchip。THUASDSP2004中集成了八个独立的功能单元,每个时钟周期可以并行执行八条指令。0.18微米CMOS工艺验证和流片测试结果显示THUASDSP2004最高工作频率可以达到150MHz。THUMchip为基于该处理器结构设计的用于H.263视频压缩编码标准的专用处理器。该处理器在优化设计的基础上增加了一些加速H.263视频压缩编解码算法的专用指令和改进的算术逻辑单元,有效地提高了处理器的应用效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 面向特定应用的指令集处理器的出现
• 1.2 面向特定应用的指令集处理器研究现状
• 1.3 超长指令字结构处理器的寄存器划分
• 1.4 处理器验证
• 1.5 课题的目标和意义
• 1.6 论文组织
• 第2章 可配置处理器结构
• 2.1 可配置处理器基本结构
• 2.2 指令库
• 2.2.1 指令类型选择
• 2.2.2 指令格式
• 2.2.3 条件执行指令
• 2.2.4 面向特定应用的特殊指令设计
• 2.3 数据通路库
• 2.3.1 数据通路设计原则
• 2.3.2 算术逻辑单元设计
• 2.3.3 增强型算术逻辑单元设计
• 2.3.4 数据存取单元设计
• 2.3.5 算术跳转单元设计
• 2.3.6 乘法单元设计
• 2.4 用户自定义功能单元
• 2.4.1 处理器核对用户自定义功能单元的控制
• 2.4.2 处理器核与用户自定义功能单元的数据交换
• 第3章 寄存器访问结构
• 3.1 RFCC-VLIW 寄存器访问结构
• 3.2 寄存器堆模型
• 3.2.1 面积
• 3.2.2 访问延时
• 3.2.3 功耗
• 3.3 RFCC-VLIW 寄存器访问结构的性能分析
• 3.3.1 面积、功耗、访问延时
• 3.3.2 连接特性
• 3.3.3 指令调度
• 第4章 验证策略
• 4.1 面向 ASIP 的验证方案
• 4.2 可配置处理器 C 语言模型
• 4.2.1 C 语言模型的可配置性
• 4.2.2 周期级精确的 C 语言模型
• 4.3 验证向量生成
• 4.3.1 功能验证向量生成
• 4.3.2 伪随机验证向量生成
• 4.3.3 确定性验证向量生成
• 4.4 验证方案性能分析
• 第5章 设计实例
• 5.1 THUASDSP2004 设计
• 5.1.1 THUASDSP2004 整体结构
• 5.1.2 THUASDSP2004 流水线设计
• 5.1.3 THUASDSP2004 数据通路选择
• 5.1.4 指令缓存存储器设计
• 5.1.5 数据存储器设计
• 5.1.6 外部存储器访问端口设计
• 5.1.7 中断设计
• 5.1.8 物理实现及测试结果
• 5.2 THUMCHIP 设计
• 5.2.1 THUMchip 处理器核配置
• 5.2.2 专用功能单元设计
• 5.2.3 THUMchip 性能分析
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A THUASDSP2004 管脚说明
• 附录 B THUASDSP2004 指令集
• 附录 C H.263 甚低码率视频编码标准简介
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果