FT-C55LP程序流单元的设计与实现

论文摘要

数字信号处理器具有高效率、低功耗和低成本的特点,已成为通信、消费类电子产品的核心部件。FT-C55LP是一款自主正向设计的高性能、低功耗16位定点可编程数字信号处理器芯片。本文在深入研究FT-C55LP体系结构的基础上,详细讨论了FT-C55LP中程序流单元的性能要求和限定条件下的设计及其正确性验证。本文设计的FT-C55LP程序流单元主要由数据交换控制模块、程序控制模块和流水线控制模块三部分组成。程序流单元的主要功能是完成程序地址产生,程序执行路径和状态控制,程序中跳转、条件、循环等控制类指令的执行处理,中断响应与处理,流水线的控制和冲突保护等。本文针对FT-C55LP的指令集特点和性能、功耗需求,在程序流单元中设计了专门的条件计算逻辑和循环控制逻辑,有效地提高了FT-C55LP中条件指令和循环指令的执行效率。另外,程序流单元中FT-C55LP中断系统的设计与实现也有效提高FT-C55LP执行数字信号处理算法的效率和拓展了其应用领域。FT-C55LP内部采用了12级的深度流水线,并具有自动的流水线冲突硬件保护机制。因此,流水线控制的设计与实现成为能否实现FT-C55LP性能和功耗要求的关键因素之一。在程序流单元的设计与实现的过程中,本文针对FT-C55LP的流水线特别是其中的硬件自动保护机制进行了深入的研究与分析。在流水线的硬件自动保护机制的设计中,分析比较了现有的几种通用流水线保护机制的优缺点,针对FT-C55LP的流水线特点和性能、功耗需求提出了一种有效的基于资源分段访问的流水线保护机制并建立了统一的分析模型。模型表明,这种流水线保护机制有效提高了FT-C55LP的性能,降低了其硬件复杂度。本文最后对所设计的程序流单元进行了模块级的功能验证。在底层模块的验证过程中,本文采用了EDA软件自动进行的代码覆盖率统计的验证策略;在顶层模块的验证过程中,本文采用了EDA软件自动进行代码覆盖率统计和进行用户自定义功能点的功能覆盖率统计相结合的验证策略。验证结果表明程序流单元的设计完全符合FT-C55LP的设计要求,功能完全正确。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 国内外DSP 的发展现状与趋势
• 1.3 FT-C55LP 设计实现的关键技术和设计流程
• 1.4 本文研究的内容和结构
• 第二章 节能高效的数字信号处理器FT-C55LP
• 2.1 FT-C55LP 概述
• 2.1.1 FT-C55LP 的主要特性
• 2.1.2 FT-C55LP 的低功耗技术
• 2.2 FT-C55LP 的内部结构
• 2.3 FT-C55LP 的CPU 结构
• 2.3.1 FT-C55LP 的总线结构
• 2.3.2 FT-C55LP 的CPU 寄存器
• 2.3.3 指令缓冲单元（I unit）
• 2.3.4 程序流单元（P unit）
• 2.3.5 地址数据流单元（A unit）
• 2.3.6 数据计算单元（D unit）
• 2.4 FT-C55LP 的存储空间结构
• 2.5 FT-C55LP 的流水线结构
• 2.5.1 指令流水线
• 2.5.2 流水线的旁路机制
• 2.5.3 流水线的保护机制
• 2.6 小结
• 第三章 FT-C55LP 中程序流单元的设计与实现
• 3.1 概述
• 3.2 程序地址产生逻辑
• 3.2.1 程序地址产生逻辑中的寄存器
• 3.2.2 堆栈操作
• 3.2.3 程序地址产生逻辑的内部结构
• 3.2.4 程序地址产生逻辑小结
• 3.3 程序控制逻辑
• 3.4 寄存器文件设计
• 3.4.1 程序流单元中的寄存器数据通路
• 3.4.2 程序流单元中的外部数据接口
• 3.5 硬件循环控制逻辑
• 3.6 条件计算逻辑
• 3.7 FT-C55LP 中断系统设计
• 3.7.1 中断概述
• 3.7.2 中断系统的总体设计
• 3.7.3 中断系统设计小结
• 3.8 流水线控制逻辑
• 3.9 小结
• 第四章 一种有效的流水线保护机制的设计与实现
• 4.1 概述
• 4.2 基于记分牌技术的流水线保护机制
• 4.3 基于仲裁式电路的流水线保护机制
• 4.4 基于资源分段访问的流水线保护机制
• 4.5 三种流水线保护机制的比较
• 4.6 小结
• 第五章 程序流单元设计的功能验证
• 5.1 概述
• 5.1.1 功能验证的一般方法
• 5.1.2 覆盖率分析
• 5.2 程序流单元的功能验证策略
• 5.3 程序流单元验证中测试向量的构造
• 5.4 程序流单元的验证结果
• 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