可编程媒体处理系统芯片（SoC）结构设计研究

论文题目: 可编程媒体处理系统芯片（SoC）结构设计研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 通信与信息系统

作者: 蒋志迪

导师: 姚庆栋

关键词: 可编程性,媒体处理系统芯片,任务调度,总线总裁,存储结构

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 媒体处理系统SoC是VLSI的研究热点,本文主要研究了可编程媒体处理系统的结构、任务调度、总线数据调度和存储体系结构等关键问题。 媒体处理系统结构根据其实现方式的不同,可划分为两种体系结构:专用集成电路媒体处理系统芯片和可编程媒体处理系统芯片。近年来随着半导体技术和微处理器技术的发展,业界倾向于可编程媒体处理系统芯片。本文在微处理器的媒体增强结构设计中,针对媒体处理算法特点,并结合MD32体系结构,进行了媒体指令扩展设计的讨论,提高了媒体增强微处理器核的性能。通过对两种体系结构的探讨,作者提出了一种基于双核的可编程媒体处理系统芯片的硬件结构,并实现了兼容MPEG的数字音视频解码系统芯片的设计。另外,本文还展开了MD32在媒体处理系统SoC中重用性研究,通过媒体处理器MD32核在媒体处理系统中的重用,使整个系统协同工作,并提高了系统的灵活性和可编程性。 媒体处理系统是一个复杂的实时处理系统,众多的任务在系统内部有限的硬件资源上运行。软硬件任务调度成为实时媒体系统芯片设计的重要问题。本文以浙江大学自主开发的基于双核的可编程数字音视频处理系统为例,采用软硬件协同设计方法,通过系统的任务映射将系统中各个任务分解为两类:一类是与主控微处理器RISC32相关的任务,而另一类是与媒体处理器MD32相关的任务。对于主控微处理器内的任务,通过分析软件任务中程序流和数据流的特点,提出相应的任务调度方案;而对于与媒体处理器相关任务,通过结构和任务的优化,在提高处理器核计算资源利用率的同时,提出了数据驱动的控制策略以实现视频的实时解码。 本文针对媒体系统芯片设计中的总线调度和数据传输问题,提出了一种增强式的总线接口结构进行批量数据传输,并在此总线接口结构的基础上对总线仲裁方案进行优化,提出一种“最高固定优先级”和“动态优先级”相结合的仲裁策略,从而不仅满足片内严格实时性任务的要求,而且也满足了媒体系统整体性能的要求。鉴于存储结构也是媒体处理系统的关键问题之一,本文再提出了一种适合于媒体应用的分层存储结构,系统可以通过该存储结构对媒体数据进行“预取”,使系统的数据计算和搬运在时域上达到并行,提高系统整体性能。根据媒体数据调度特点和系统结构,我们还设计了多通道的二维DMA控制器,采用二维DMA进行数据传输,进一步发挥了这种分层存储结构的性能。

论文目录:

摘要

Abstract

目录

图表索引

第一章 绪论

1.1 嵌入式系统的发展

1.2 媒体处理技术发展

1.3 嵌入式媒体处理系统的实现结构

1.3.1 功能单元集成结构

1.3.2 通用微处理器的多媒体扩展结构

1.3.3 可编程媒体处理器结构

1.4 媒体系统芯片SoC设计方法

1.4.1 软硬件协同设计策略

1.4.2 异质媒体系统芯片设计策略

1.4.3 系统芯片集成的设计方法

1.4.4 嵌入式系统芯片的灵活性设计

1.5 本文的主要贡献及内容安排

第二章 媒体处理系统结构研究

2.1 嵌入式微处理器的媒体增强

2.1.1 媒体扩展的设计策略

2.1.2 媒体处理的指令扩展

2.1.3 嵌入式媒体增强处理器MD32

2.2 媒体处理系统SoC的结构研究

2.2.1 专用集成电路结构的媒体系统芯片

2.2.2 可编程媒体处理系统——双核架构

2.3 专用集成电路结构与可编程处理系统结构的比较

2.4 微处理器核的重用结构研究

2.4.1 参数化和结构化设计

2.4.2 数据通路设计

2.4.3 IP模块间的信息交换

2.5 本章小结

第三章 媒体系统任务调度研究

3.1 引言

3.1.1 不可抢占式调度与可抢占式调度

3.1.2 周期性任务和非周期性任务

3.1.3 系统调度算法

3.2 媒体系统中的任务调度

3.2.1 系统芯片SOC软硬件协同设计方法

3.2.2 系统数据流模型及系统级软硬件任务划分

3.2.3 主控微处理器RISC32的任务调度和数据流

3.2.4 媒体处理器MD32的任务处理

3.3 系统可调度分析

3.3.1 主控处理器RISC32的任务调度分析

3.3.2 媒体处理器MD32实现视频解码的性能分析

3.4 实验结果与分析

3.4.1 RISC32实现系统层解码和音频解码

3.4.2 MD32实现视频解码

3.5 本章小结

第四章 片上总线和存储体系结构研究

4.1 片上总线概述

4.1.1 传统总线与片上总线的比较

4.1.2 片上总线的发展

4.1.3 几种流行的片上总线结构

4.2 媒体处理系统总线研究

4.2.1 媒体系统数据处理和存储器特点

4.2.2 总线互连结构

4.2.3 总线仲裁

4.2.4 总线体系结构

4.3 存储体系结构研究

4.3.1 媒体系统中的分层存储结构

4.3.2 二维DMA研究

4.3.3 二维DMA控制实现

4.4 实验数据及分析

4.5 本章小结

全文总结

参考文献

作者攻读博士学位期间发表的主要学术论文

作者攻读博士学位期间参与的科研工作

致谢

发布时间: 2005-07-27

参考文献

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