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《浙江大学》 2004年
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RISC/DSP处理器的结构、微结构设计研究

周莉  
【摘要】: 集成电路工艺的发展使得将系统集成在一块芯片中实现成为可能,芯片设计进入片上系统(SOC)时代。为了更好的满足嵌入式系统的蓬勃发展,需要不断的对新处理器体系架构进行广泛的研究。传统的精简指令集处理器(RISC)和数字信号处理器(DSP)各自具有不同的指令集结构和微结构特点,适合于不同的应用领域。作为RISC和DSP融合体的RISC/DSP架构,由于既善于执行系统程序,又善于执行信号处理程序,所以能够较好的适应嵌入式系统的发展。 本文作者参加了浙江大学信息与电子工程学系SOC RD小组承担的国家863超大规模集成电路设计重大专项项目,参与开发了具有自主知识产权的RISC/DSP处理器——MD32,并从中总结出结构、微结构设计等方面的一些方法和理论。MD32将RISC与DSP处理器的指令操作、寻址模式等要素充分融合,设计了并行操作、多媒体分裂模式等指令操作,形成了兼有RISC、DSP、SIMD特点的一种新的指令集结构,并在此基础上进行了具有自身特色的RISC/DSP微结构组成设计和统一的流水结构划分,使得RISC/DSP体系既能够发挥RISC处理器的系统执行能力,又具有DSP处理器的数据处理能力,从而使MD32处理器更适合多媒体信息处理的需要。本文的主要内容及创新点包括: 提出指令构成及其划分模型的概念,论述了各指令构成域的条件正交性和条件空位,确立了RISC/DSP指令结构的设计目的与特点,并在此基础上融合RISC的面向寄存器指令特点、DSP的面向存储器指令特点、以及SIMD类分裂模式操作,设计实现了具有较为丰富寻址模式和指令操作的MD32 RISC/DSP指令体系,研究了其指令构成与结构复杂性、数据通路设计之间的关系,从而确立了MD32微结构设计的依据和基础。 根据MD32 RISC/DSP指令构成模型,确定MD32微结构模块组成,并提出RISC/DSP流水划分原则。通过对比不同的划分方法,合理安排流水线中指令的执行动作,最终确定出满足系统频率和时序要求的MD32流水结构,使得RISC/DSP指令通过统一的流水安排融合在一起。 在MD32设计中采用了具有自身特色的设计方法,探索出一套面向RISC/DSP指令结构的微结构设计原则和方法,如并行设计、内部流水设计、集中控制等。它们将若干复杂指令操作均匀分配在几个流水节拍内完成,实现了任意窗口寻址等复杂指令操作,将整个处理器的数据通路与控制通路分离,减小了电路时延,从而满足了RISC/DSP不同指令功能和系统时钟频率的要求,构成了统一的、紧密联系的、协调的MD32系统结构。 对MD32协同验证平台的设计进行了研究。通过软平台中的单元验证、结构验证、系统验证等步骤,以及基于FPGA的硬平台验证,保证了MD32处理器的正确性和完备性。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP332

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