异步RISC微处理器核设计关键技术研究

论文摘要

处理器是计算机系统最核心的部件,同步处理器在过去几十年间获得了突飞猛进的发展。然而,随着特征尺寸的不断减小和电路规模的不断增加,时钟偏移、最坏速度、系统功耗及电磁辐射等问题日益成为同步处理器性能提高的瓶颈。因此,能较好地解决上述问题的异步处理器设计技术逐渐成为世界范围内的研究热点。我国的处理器设计刚刚起步,而异步处理器的设计则处于起步前的探索阶段。本文针对异步RISC微处理器的设计技术进行研究,采用自顶向下的方法设计实现了一款带有Booth乘法器、桶式移位器、经典5级带反馈流水线、具有中断和例外管理功能、采用四相数据绑定握手协议和匹配延迟等技术的异步RISC微处理器核。本文完成的主要工作包括:论文紧紧围绕微处理器设计中具有“异步”和“RISC”特色的关键技术进行研究。论文首先研究了异步电路设计原理,对握手协议、延迟模型、指示原则及马勒流水线等进行深入分析;然后研究了RISC单发射微处理器的特点,重点研究了指令系统、流水线组织以及中断和例外管理。论文对异步微处理器的体系结构、异步流水线结构和异步功能单元的设计进行了研究。论文在对异步流水线控制、死锁、数据相关、转移相关、中断与例外、异步功能单元设计等关键问题进行了深入研究的基础上,给出了较为详尽的设计方案。论文用异步电路硬件描述语言Balsa对所做设计进行了建模,并完成了ASIC综合。论文采用基于仿真的验证方法,从单元验证和结构验证两个方面,分别设计验证程序,对所设计的异步微处理器进行了功能验证。论文在研究、设计、建模和验证过程中针对出现的问题提出了以下一些策略或方法:论文对流水线的共有问题和异步流水线特有的新问题进行分析,在此基础上提出了一种异步流水线控制策略,该策略能对异步流水线控制问题提供较好的解决方案:针对异步电路中特有的死锁问题,论文提出了一种建立死锁模型的方法,通过该死锁模型可以快速定位死锁原因:针对RISC微处理器中所有数据相关难以考虑周全的现状,论文提出了一种基于指令事件类的数据相关彻查方法,该方法既能找到所有情况的数据相关,又有较小的彻查工作量;论文结合本设计的指令构成和流水线事件的特点,提出了一种基于指令事件类的验证程序生成方法,该方法具有针对性强、功能覆盖率高、仿真时间短等优点。实验结果表明,本文设计的异步RISC微处理器核功能正确,与对应的同步微处理器核相比,本设计既有较好的性能和扩展性,又有较高的功率效率。

论文目录

• 图目录
• 表目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.1.1 同步处理器的性能瓶颈
• 1.1.2 异步处理器的优越之处
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文主要工作及创新点
• 1.3.1 主要工作
• 1.3.2 创新点
• 1.4 论文安排
• 第二章 异步RISC微处理器设计综述
• 2.1 异步电路设计综述
• 2.1.1 异步电路基本设计思想
• 2.1.2 异步电路基本组成单元
• 2.1.3 异步电路基本控制结构
• 2.2 RISC微处理器综述
• 2.2.1 RISC微处理器的发展
• 2.2.2 RISC微处理器的特点
• 2.3 异步RISC微处理器的总体设计思路
• 2.4 异步RISC微处理器设计关键技术分析
• 2.4.1 异步流水线设计技术
• 2.4.2 异步功能单元设计技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 异步RISC微处理器的体系结构
• 3.1 典型的RISC微处理器体系结构分析
• 3.1.1 ARM系列处理器
• 3.1.2 MIPS系列处理器
• 3.1.3 SPARC系列处理器
• 3.1.4 ARM、MIPS和SPARC体系结构的比较
• 3.2 异步RISC微处理器的体系结构
• 3.2.1 指令系统结构
• 3.2.2 可见存储结构
• 3.2.3 其它结构
• 3.3 本章小结
• 第四章 异步RISC微处理器流水线结构的研究与设计
• 4.1 异步流水线整体设计
• 4.1.1 流水线设计研究
• 4.1.2 流水线组成设计
• 4.1.3 流水线事件分析
• 4.1.4 流水线中数据流动作特点
• 4.2 异步流水线控制策略
• 4.2.1 异步流水线控制策略的提出背景
• 4.2.2 异步流水线控制策略的描述
• 4.3 流水线数据相关研究与解决方案设计
• 4.3.1 数据相关研究
• 4.3.2 解决方案设计
• 4.3.3 异步要素设计
• 4.4 流水线转移相关研究与解决方案设计
• 4.4.1 转移相关研究
• 4.4.2 解决方案设计
• 4.4.3 异步要素设计
• 4.5 流水线死锁研究与解决方案设计
• 4.5.1 死锁模型
• 4.5.2 去除死锁
• 4.6 本章小结
• 第五章 异步RISC微处理器关键功能单元的研究与设计
• 5.1 取指单元设计
• 5.1.1 取指算法设计
• 5.1.2 异步电路设计
• 5.2 异常管理单元设计
• 5.2.1 设计原理研究
• 5.2.2 步电路设计
• 5.3 移位单元设计
• 5.3.1 设计原理研究
• 5.3.2 异步电路设计
• 5.4 乘法单元设计
• 5.4.1 设计原理研究
• 5.4.2 异步电路设计
• 5.5 异步ALU整体设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 异步RISC微处理器的实现与验证
• 6.1 实现
• 6.1.1 硬件实现环境的选择
• 6.1.2 ASIC综合
• 6.2 验证
• 6.2.1 验证流程
• 6.2.2 单元验证
• 6.2.3 结构验证
• 6.2.4 验证程序生成与评估
• 6.3 性能与功效分析
• 6.3.1 性能
• 6.3.2 功效
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢