嵌入式可视媒体处理SoC的高效访存管理技术研究与实现

论文摘要

片上多核处理器是目前计算机体系结构技术发展的一个趋势。其应用范围覆盖工作站服务器、桌面计算机以及各种嵌入式设备,越来越广泛。它通过在单个芯片上集成多个处理器核,极大地增强了芯片的计算能力。同时,这也意味着处理器需要更多数据,对访存的要求更高。访存已成为影响多核处理器性能发挥的关键因素。片上多处理核的访存效率受到处理器体系结构、存储层次、互连组织、输入输出方式等因素的影响。目前多核处理器上常见的共享Cache结构、共享总线互连、交叉开关互连、片上网络互连等技术都是最初针对高性能处理器设计而出现的,当它们应用到嵌入式处理器设计领域时,由于受芯片面积、功耗、成本、性能等多方面因素制约,存在着效率低或者开销代价大等各种问题。本文结合嵌入式可视媒体处理SoC芯片EVMPSoC的研制需求,研究了面向嵌入式可视媒体处理SoC的异构多核处理器片上访存管理技术,设计并实现了EVMPSoC芯片的多通道高效访存子系统。本文的主要工作和贡献如下:1.借鉴现有的片上多处理器访存技术,提出并实现了一种EVMPSoC的多通道双位宽并行访存与通信结构。该结构有利于大批量连续数据快速传输,可有效支持多访存任务并行执行,便于将计算与访存重叠、通信与访存重叠,从而隐藏访存延迟,实现高效率的多处理核并行访存与通信。2.提出了可有效提高访存效率的二维事务机制和流水传输机制,充分发挥了多访存任务并行执行的优势。设计实现了具有可自动重载、多优先级配置、多中断源配置、显存控制、循环寻址等功能的高效访存管理部件。3.完成了EVMPSoC芯片中访存管理部件的模拟验证、逻辑综合与优化、时序分析,为EVMPSoC芯片投片成功提供了重要的保证。验证及优化结果表明,本文设计实现的访存管理部件具有功能正确、效率高和开销代价低的特点。4.研究了EVMPSoC芯片的软件编程技术,构建了其软件开发平台环境,探讨了多核编程的任务划分、片上存储空间分配、多任务仲裁调度等技术,分析了各种测试程序的运行结果,为进一步开发EVMPSoC的系统编译器奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 相关研究
• 1.2.1 面向嵌入应用的SoC 体系架构
• 1.2.2 嵌入式多核处理器的访存与通信
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 EVMPSOC 访存结构设计
• 2.1 EVMPSOC 处理器概述
• 2.1.1 总体架构
• 2.1.2 Wishbone 总线
• 2.2 访存结构设计
• 2.2.1 存储层次
• 2.2.2 输入/输出方式
• 2.2.3 模块划分及互连策略
• 2.2.4 详细互连结构
• 2.3 AMU 结构设计方案
• 2.4 本章小结
• 第三章 访存管理部件的设计实现技术
• 3.1 接口模块
• 3.2 通道寄存器模块
• 3.3 通道仲裁模块
• 3.4 AMU 传输引擎
• 3.4.1 二维事务与流水传输机制
• 3.4.2 内部模块框图
• 3.4.3 传输控制技术
• 3.4.4 地址生成逻辑
• 3.4.5 数据通路逻辑
• 3.4.6 计数控制逻辑
• 3.4.7 显存帧控制逻辑
• 3.5 传输性能分析
• 3.6 AMU 部件的逻辑综合与物理实现
• 3.6.1 逻辑综合与结果分析
• 3.6.2 物理实现与结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 访存管理部件的验证
• 4.1 验证方法
• 4.1.1 软件模拟与FPGA 仿真
• 4.1.2 黑盒测试与白盒测试
• 4.1.3 子模块测试与父模块测试
• 4.2 基于MODELSIM 的模拟验证
• 4.2.1 模拟环境的构建
• 4.2.2 测试任务及结果分析
• 4.3 基于FPGA 的仿真验证
• 4.3.1 FPGA 仿真环境的构建
• 4.3.2 测试任务及结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 EVMPSOC 的软件编程技术
• 5.1 EVMPSOC 的软件开发平台
• 5.2 EVMPSOC 上的多核编程
• 5.2.1 FFT 算法
• 5.2.2 多核任务分配
• 5.2.3 协处理核编程优化方法
• 5.2.4 结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献