600MHz DSP芯片S部件的设计与优化

论文摘要

数字信号处理器（DSP）是一种专门为处理数字信号而设计的微处理器。自从80年代初诞生以来,DSP技术得到了飞速的发展,目前,DSP已经在社会生活的各个领域得到广泛的应用,尤其是在军事、通信、控制技术方面。越来越多的应用对DSP的性能提出了更高的要求。FT-CXX是一款研制中的高性能32位定点运算DSP芯片,它采用超长指令字结构,一拍内可以同时流出8条指令,设计目标主频达到600MHz,是国内现有DSP芯片中性能最高的产品。作者作为研制人员之一参与了该款DSP的研制,负责CPU内核中重要部件S部件的设计与实现。本文详细介绍了S部件的设计以及为达到主频600MHz的指标所作的全定制优化。S部件是FT-CXX中执行逻辑运算、算术运算、位域操作和控制转移指令的重要部件,本文介绍了S部件的体系结构和模块划分,详细阐述了S部件的逻辑设计,通过逻辑综合进行了性能分析,并结合设计目标对其中的关键路径和关键部件制定了优化的方案。移位器是S部件中一个主要的运算单元,EXT指令执行过程需要串行两次移位使得移位器性能成为制约S部件设计的瓶颈,经过实验证明只有采用全定制设计才能达到设计目标。本文采用动态电路设计了FT-CXX的移位器,并通过全定制手段完成了其版图的设计优化。版图设计完成后的移位器延时在300ps以内,面积为70×70平方微米,达到了设计预期的目标。针对动态电路性能高的优点和噪声容限小、信号稳定性差的弊端,本文从性能提升和提高抗噪声能力两方面分别对移位器设计进行了优化和改进,通过采用省略求值管设计、双阈值器件技术和偏斜MOS管技术,使电路性能提高了25%以上;通过对动态电路噪声来源的分析和抗噪声技术的讨论,对动态移位器的抗噪声能力进行了改进和评估,确保电路在环境允许的噪声范围内能正常工作。通过课题的研究,本文完成了S部件的逻辑设计和关键部分的全定制优化,消除了制约设计性能的瓶颈,为S部件的整体完成奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 DSP芯片概述
• 1.1.1 DSP的产生与发展
• 1.1.2 国内外DSP研究现状
• 1.1.3 DSP发展趋势
• 1.2 本文研究内容
• 1.3 课题主要工作及创新
• 1.4 本文的结构
• 第二章 FT-CXX体系结构简介
• 2.1 FT-CXX处理器结构
• 2.2 FT-CXX指令流水线
• 2.3 FT-CXX CPU内核结构
• 2.4 FT-CXX内核设计方法
• 第三章 S部件设计与优化
• 3.1 S部件结构与功能概述
• 3.1.1 S部件指令概述
• 3.1.2 S部件结构概述
• 3.1.3 S部件与寄存器读写时序的安排
• 3.2 S部件功能的实现
• 3.2.1 译码功能实现
• 3.2.2 执行栈功能实现
• 3.3 S部件逻辑综合与优化方案
• 3.3.1 执行栈时序安排
• 3.3.2 综合与优化方案
• 3.4 逻辑运算模块的半定制实现
• 3.4.1 基于标准单元的半定制设计流程
• 3.4.2 综合优化
• 3.4.3 物理设计
• 3.5 关键部件设计优化
• 3.5.1 规格化数模块设计优化
• 3.5.2 EXT指令设计优化
• 第四章 高性能移位器设计
• 4.1 移位操作和移位器
• 4.1.1 移位操作
• 4.1.2 常见移位器结构
• 4.2 移位器设计方案
• 4.3 动态移位器电路设计
• 4.3.1 译码电路的设计
• 4.3.2 移位网络的设计
• 4.3.3 设计的瓶颈与优化
• 4.3.4 电路模拟与验证
• 4.4 物理设计与优化
• 4.4.1 物理设计流程
• 4.4.2 版图设计与时序模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 动态电路改进与优化
• 5.1 电路性能提升
• 5.1.1 省略求值管设计
• 5.1.2 双阈值器件
• 5.1.3 偏斜MOS管器件
• 5.2 保持信号完整性
• 5.2.1 动态电路噪声来源
• 5.2.2 抗噪声能力改进
• 5.2.3 电路模拟
• 5.2.4 动态移位器抗噪声能力评估
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果