专用处理器及片上通信架构设计研究

论文摘要

以视频信息为主的多媒体技术是21世纪最具时代特征和最富有活力的研究与应用领域,同时也是高性能片上系统（System on a Chip,SoC）发挥核心作用的领域。专用处理器及专用SoC可以在通用处理器的可编程、灵活性与专用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit,ASIC）的高性能、低功耗之间取得设计折衷,已成为目前的研究热点。本文以最新视频编解码标准H.264/AVC为目标应用,就高性能专用SoC设计中的两个关键技术:专用指令集处理器（Application-Specific InstructionSet Processor,ASIP）设计与专用片上通信架构设计展开论述。处理器是SoC的核心,承担着系统大部分的运算与控制任务。本文介绍了一款自主研发的面向视频压缩应用的ASIP指令体系及硬件实现。针对视频应用中数据组织操作开销大、内存读写频繁且地址不连续等特点,该指令集采用显式数据组织的指令格式,将数据组织操作内嵌到指令编码中,同时设计了行列交织的内存读写模式。硬件架构为SIMD（Single Instruction Multiple Data）与VLIW（Very Long Instruction Word）的混合结构,采用了RISC（Reduced Instrction Set Computer）类型的流水线结构,其中分布式运算单元支持可变字长的并行计算,而取指单元可完成变长编码指令的取指及下一PC（Program Counter）计算等功能,并设计了指令缓冲区以减少存储器访问。专用指令的设计空间庞大,手工设计效率不高。本文在专用指令自动提取方面进行了探索,提出了静态数据流图搜索与动态结果筛选相结合的方法,并作为一种重要的补充应用到前述的ASIP指令集设计中。在此基础上,以H.264/AVC的环路去块效应滤波算法为例,叙述了视频压缩算法核心在ASIP上的优化过程。片上集成部件的增多导致部件之间的数据通信逐渐成为制约系统性能的瓶颈。以目标应用的具体数据通信信息来指导通信架构的设计,可缩短通信消耗时间,提高系统实时性能。为此需要在设计早期对于目标应用中的数据通信部分进行精确的高层建模与仿真。本文在事务级模型（Transaction Level Model,TLM）的基础上提出了一种新的抽象模型CEAM（communication Event Accurate Model）用于系统的通信建模,完成了H.264/AVC的通信建模与仿真。并以此为基础,设计了一种针对应用优化的总线调度策略。实验结果表明,该策略可极大提高总线的利用效率,缩短通信任务完成时间。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 SoC设计方法学综述
• 1.2.1 软硬件协同的设计方法
• 1.2.2 基于平台的SoC设计方法
• 1.2.3 基于标准的SoC设计方法
• 1.3 视频压缩基本原理及H.264/AVC标准
• 1.4 论文主要内容与创新点
• 第2章 面向视频处理的EDO-SIMD指令体系
• 2.1 视频压缩特性分析
• 2.1.1 指令执行频率
• 2.1.2 数据精度
• 2.1.3 基本块尺寸与分支指令
• 2.1.4 H.264/AVC解码算法复杂度分析
• 2.2 通用处理器多媒体指令扩展
• 2.2.1 寄存器文件与数据通路
• 2.2.2 数据类型
• 2.2.3 操作类型
• 2.2.4 SIMD指令执行频率
• 2.3 媒体处理并行体系结构
• 2.3.1 SIMD与数据级并行
• 2.3.2 VLIW与指令级并行
• 2.3.3 SIMD/VLIW的混合架构
• 2.3.4 多处理器架构与任务级并行
• 2.4 EDO-SIMD指令体系
• 2.4.1 显式数据组织
• 2.4.2 行列交织的内存读写模式
• 2.5 本章小结
• 第3章 EDO-SIMD处理器硬件设计与验证
• 3.1 分布式运算单元设计
• 3.2 支持变长指令编码的取指单元设计
• 3.3 EDO-SIMD VLSI实现结果
• 3.4 EDO-SIMD验证平台
• 3.4.1 验证方法学
• 3.4.2 自校验测试平台
• 3.4.3 时钟精确的指令集仿真器设计
• 3.4.4 IFU模块级测试
• 3.4.5 随机指令生成
• 3.5 本章小结
• 第4章 专用指令生成及视频算法优化
• 4.1 专用指令自动生成技术
• 4.1.1 数据流图提取
• 4.1.2 Boost图算法库
• 4.1.3 基于体系约束的静态搜索算法
• 4.1.4 动态结果筛选
• 4.1.5 实验及结果分析
• 4.2 H.264/AVC环路滤波算法优化
• 4.2.1 专用加速指令及分支选择优化
• 4.2.2 多分支算法优化策略
• 4.2.3 算法实现及性能对比
• 4.3 本章小结
• 第5章 专用通信架构设计
• 5.1 专用通信架构设计方法学综述
• 5.2 常见总线通信架构与协议
• 5.2.1 AMBA总线
• 5.2.2 CoreConnect总线
• 5.2.3 Wishbone总线
• 5.3 用于通信建模的抽象模型
• 5.3.1 基于SystemC的事务级建模
• 5.3.2 通信事件模型CEAM
• 5.3.3 H.264/AVC的CEAM建模实例
• 5.4 基于应用优化的总线调度策略设计
• 5.4.1 总线调度模型及分析
• 5.4.2 相关工作
• 5.4.3 本文提出的调度策略
• 5.4.4 实验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历