面向软件无线电的数据处理单元设计与实现

论文摘要

支持多种通信标准是手机等无线通信设备未来发展的趋势。软件无线电以软件方式实现无线电功能,具有良好的灵活性、开放性、扩展性和延续性,被认为是一种满足未来发展趋势的解决方案。但是软件无线电需要数字信号处理器具有极高的计算性能和极低的功耗,超出了目前主流数字信号处理器的性能水平。本文主要针对软件无线电专用的数字信号处理器进行研究,旨在提出一种软件无线电专用的数字信号处理器原型,为后续更深入研究提供一个测试和评估的基础平台。本文首先对现有软件无线电数字信号处理器结构进行分析。根据结构划分现有软件无线电数字信号处理器结构分为可重构流式、SIMD向量式和阵列式三种类型,三种类型结构以不同设计思路挖掘处理器性能,各有优缺点。根据对现有结构的研究,本文总结了软件无线电数字信号处理器未来可能发展趋势。同时本文对无线通信算法特征进行分析总结,提出了一种针对手持软件无线电终端的异构多核数字信号处理器结构。结构中包含数据处理单元、可配置加速部件以及连接各个核的片上网络。数据处理单元是结构的核心,采用VLIW加SIMD向量结构。本文的主要工作集中于数据处理单元,完成了对数据处理单元结构、指令集以及功能部件的详细设计,并建立了时钟精确模型。根据模型得到汇编器、链接器以及RTL描述。最后,本文将FIR滤波、FFT和矩阵乘法这三种无线通信标准中的典型算法在数据处理单元上进行了映射,手工编写三种算法的汇编程序并利用模拟器进行模拟执行,得到数据处理单元执行这些算法所需要的时钟周期,并同其它结构进行比较分析。然后本文利用Synopsys Design Compiler对数据处理单元的RTL描述进行逻辑综合,得到面积和功耗等参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 软件无线电简介
• 1.3 国际国内研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 文章组织结构
• 第二章 软件无线电数字信号处理器分析
• 2.1 软件无线电数字信号处理器所面临的挑战
• 2.1.1 软件无线电数字信号处理器所面临的性能挑战
• 2.1.2 软件无线电数字信号处理器所面临的功耗挑战
• 2.2 典型软件无线电数字信号处理器结构分析
• 2.2.1 可重构流式处理器结构
• 2.2.2 SIMD 向量式处理器结构
• 2.2.3 阵列式处理器结构
• 2.2.4 软件无线电数字信号处理器结构总结
• 2.3 未来软件无线电数字信号处理器技术特征
• 2.3.1 算法驱动的处理器体系结构设计
• 2.3.2 更宽更灵活的SIMD 数据通路
• 2.3.3 增加可重构协处理单元
• 2.3.4 集成无线通信领域专用的片上互连网络
• 2.4 本章小结
• 第三章 面向软件无线电的数据处理单元体系结构设计
• 3.1 面向软件无线电的数字信号处理器体系结构设计
• 3.1.1 多核体系结构选择
• 3.1.2 处理器核类型选择
• 3.1.3 GAEA 体系结构介绍
• 3.2 数据处理单元体系结构设计
• 3.2.1 数据处理单元结构类型选择
• 3.2.2 数据处理单元存储层次设计
• 3.2.3 数据处理单元SIMD 向量结构设计
• 3.2.4 数据处理单元VLIW 结构设计
• 3.2.5 数据处理单元数据位宽设计
• 3.3 数据处理单元体系结构介绍
• 3.3.1 数据处理单元总体结构
• 3.3.2 数据处理单元数据通路
• 3.3.3 数据处理单元数据存储结构
• 3.3.4 数据处理单元体系结构总结
• 3.4 数据处理单元指令集设计
• 3.4.1 专用指令
• 3.4.2 指令集介绍
• 3.4.3 指令格式
• 3.5 本章小结
• 第四章 数据处理单元模块设计与实现
• 4.1 控制模块设计
• 4.1.1 控制模块
• 4.1.2 地址生成单元
• 4.1.3 程序数据读取单元
• 4.1.4 指令派发单元
• 4.2 SIMD 向量执行单元模块设计
• 4.2.1 ALU 单元设计
• 4.2.2 MAC 单元设计
• 4.2.3 AGU 单元设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 数据处理单元测试和评估
• 5.1 典型算法映射
• 5.1.1 FIR 滤波算法映射
• 5.1.2 FFT/IFFT 算法映射
• 5.1.3 矩阵乘法映射
• 5.2 性能测试及分析
• 5.2.1 测试环境
• 5.2.2 测试结果及分析
• 5.2.3 性能测试总结
• 5.3 逻辑综合结果分析
• 5.3.1 数据处理单元流水线逻辑综合结果
• 5.3.2 数据处理单元存储器综合结果
• 5.3.3 数据处理单元综合结果总结
• 5.4 数据处理单元总结
• 5.5 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
• 附录A 32 阶FIR 汇编程序
• 附录B 1024 点FFT 汇编程序
• 附录C 4×4 矩阵乘法汇编程序