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专用指令集处理器(ASIP)体系结构设计研究

杨君  
【摘要】:专用指令集处理器(ASIP,Application Specific Instruction Set Processor)是一种新型的具有处理器结构的芯片,它为某个或某一类型应用而专门设计。通过权衡速度、功耗、成本、灵活性等多个方面的设计约束,设计者可以定制ASIP达到最好的平衡点,从而适应嵌入式系统的需要。因而ASIP在嵌入式领域具有良好的应用前景。 ASIP设计需要面对多种类型的应用定制最优的体系结构,应用多样性和设计时效性是迫切需要解决的问题。然而,目前ASIP体系结构设计的研究大多在某个局部展开,难以提供一种具有易用性、快速性和可评估性的设计方法和环境。所以,本文在对具体的ASIP设计步骤和现有设计方法学进行分析的基础上,提出一种“描述-搜索-细化”的ASIP体系结构设计流程,研究了设计中体系结构描述、搜索与低功耗优化的问题,并依此实现完整的设计环境原型。主要研究归结为 ① 基于ASIP体系结构描述语言xpADL的软件工具生成技术。使用体系结构描述语言xpADL驱动设计流程,设计和实现了描述语言可执行语义的转化和扩展机制,支持快速的功能性验证和性能估计。 ② 基于基本指令集方法的指令集定制和结构属性设计空间搜索技术。定制指令集时利用性能、能耗、面积等多指标归一化模型评估指令集扩展的效果,并采用低功耗状态编码的思想进行指令字编码。同时,采用自动生成的软件工具对由流水线、功能部件、存储部件等构成的结构属性设计空间进行搜索,得到最优的ASIP体系结构。 ③ 结合ASIP体系结构特征,以应用特征为指导,针对指令集(程序代码)、流水线和存储部件进行了低功耗优化研究。 ④ 在上述研究的基础上,实现了一个支持“描述-搜索-细化”设计流程的ASIP体系结构设计环境原型A~2IDE,并基于此平台定义了采用ARM、PISA和Vcore等体系结构的实验型ASIP,验证了A~2IDE的有效性。 本论文做出的贡献主要体现在: (1)在深入分析已有的电子系统设计方法学的基础上,实现了“描述-搜


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