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《华中科技大学》 2004年
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32位RISC微处理器设计研究

夏军  
【摘要】:随着VLSI工艺水平的提高,如今能够把整个电子系统集成到一块或几块芯片上(SoC)。SoC的出现能够在改善系统性能的同时减小系统的功耗、尺寸和成本。SoC设计成败的关键在于其中的RISC微处理器的设计。同时随着半导体工艺技术的提高、体系结构技术的不断发展以及应用需求的不断提高,对高性能嵌入式微处理器产品的需求量也越来越大。 本文在介绍了各种商业主流RISC微处理器的技术特点后讨论了一种32位高性能RISC微处理器的设计方法,重点在于其逻辑设计,包括:指令集结构设计、RISC CPU设计、层次化存储器系统设计和其它功能单元设计。随后我们对RISC微处理器进行了功能验证,它包括两个方面:系统级仿真与FPGA硬件验证。实验表明,我们所设计的电路达到了预期的目标,并且在速度、面积等指标上有着较好的性能。 本文提出了一种对集中式控制器单元进行划分的方法并根据该方法确定了RISC CPU的体系结构。这种结构不仅利于进行调试和扩展而且流水线的暂停信息不会在多个流水段内进行传递,因此对流水线的速度不会附加额外的负面影响。 本文提出了一种完全去掉由RAW冒险在流水线中所引起的“气泡”的方法。 本文提出了一种显著缩短程序的执行时间的方法。当转移指令处于指令译码段时就能够判断转移发生与否和确定下一条要取的指令的地址,这使得在转移指令之后只需插入一条空指令。这种方法显著地缩短了程序的执行时间。 本文提出了流水线暂停的两条原则并根据这两条原则产生了流水线中各个流水段的暂停信号。仿真波形表明,这些信号能够使流水线正确地暂停与恢复。 本文采用了不同的方式产生从指令MMU送往指令Cache和从数据MMU送往数据Cache的是否可缓存标志信号。在任何情况下指令存储器所对应的地址空间都是可缓存的。这在功能上是正确的,同时减少了指令存储器的访问次数和去掉了一个异步环路。这改善了整个系统的时序。 本文研究了RISC微处理器的低功耗设计技术并给出了一种支持动态和静态功耗管理的功耗管理单元的设计方法。 本文研究了RISC微处理器对WISHBONE SoC接口的支持并给出了一种采用 WP=5 WISHBONE协议的总线接口单元的设计方法。 本文介绍了在进行系统级仿真时所采用的两种配置管理方法。通过这两种仿真管理方法,对于一种特定的仿真,仿真环境的使用者能够以最快的速度决定在该仿真中要使用哪些模型从而提高了仿真效率。 最后,给出了设计的FPGA硬件验证方案。比较了系统级软件仿真与FPGA硬件验证两种方式所能得到的吞吐率并论证了FPGA硬件验证的必要性。 总的来说,该微处理器在应用方面具有很好的性能,并且实现简单,规模可扩展性好,具有开放的SoC接口。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP332

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【引证文献】
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1 尤菲菲;胡宝霞;刘小平;;32位嵌入式RISC微处理器设计[J];科技咨询导报;2007年26期
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1 陈海民;密码嵌入式微处理器设计与实现研究[D];解放军信息工程大学;2011年
2 李云;嵌入式RISC处理器中指令流水单元的设计[D];西北工业大学;2007年
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4 赵先锋;COTS微处理器软件容错性能的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
5 刘亮;RISC处理器整数运算和控制单元的研究与设计[D];华北电力大学;2012年
【参考文献】
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 刘振永;高恒志;;嵌入式系统在远程监控中的应用[J];安防科技;2008年06期
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4 张海清;陈永煌;朱晖;;基于嵌入式系统的CAN总线汽车组合仪表的研究[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2009年03期
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7 盛庆华,刘笃仁;基于ISP芯片的数字编码波形发生器设计[J];半导体技术;2002年06期
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9 陈炳权;;基于ARM+FPGA的大屏幕显示器控制系统设计[J];半导体技术;2008年02期
10 宋一扬,李金平;基于ARM的实时语音识别系统在嵌入式系统中的应用[J];北方交通大学学报;2004年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 张闻捷;唐琎;栾柱晓;;基于EP9312的银税类嵌入式系统硬件设计方案[A];第二届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2006年
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5 夏文岳;袁海文;弥寒光;郭鑫;;基于ARM的有源滤波器测控系统设计[A];2010航空试验测试技术学术交流会论文集[C];2010年
6 丁克勤;周舰;何石;王洪柱;张旭;黄冬林;;多通道磁记忆检测仪研制[A];国产科学仪器应用、创新和产业化学术研讨会论文集(一)[C];2007年
7 丁克勤;周舰;王洪柱;张旭;黄冬林;;金属表面裂纹漏磁检测仪研制[A];国产科学仪器应用、创新和产业化学术研讨会论文集(二)[C];2007年
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9 周粉利;刘振兴;;基于S3C2410的电感测微仪设计[A];全国冶金自动化信息网2009年会论文集[C];2009年
10 张永强;张永健;;嵌入式GPS/GPRS车载定位技术研究[A];2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集(一)[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张红兵;基于ARM的双丝脉冲MIG高速焊分布式控制系统的研究[D];华南理工大学;2010年
2 乔宇;汽车四轮转向的动力学特性与混杂控制研究[D];天津大学;2003年
3 程国达;嵌入式系统的硬/软件协同设计研究[D];复旦大学;2003年
4 董大圣;APON系统ONT物理层软硬件设计与关键技术的研究[D];南京理工大学;2004年
5 杨雷;激光微加工系统中若干关键技术的研究[D];郑州大学;2003年
6 覃胜;语言学习系统学生终端机的数字化研究[D];重庆大学;2004年
7 杨丽;组培苗分割移植机器人系统的研究[D];中国农业大学;2005年
8 娄嘉骏;家庭网络平台研究与构造[D];浙江大学;2005年
9 陈稷;太赫兹波及光学过程层析成像技术研究[D];浙江大学;2005年
10 陈楸;惯性导航系统中非线性问题的数值方法[D];西北工业大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张海清;基于嵌入式系统的CAN总线汽车组合仪表的研究[D];安徽工程大学;2010年
2 宫明广;基于ARM平台分布式测控终端设计[D];南昌航空大学;2010年
3 朱凯;基于ARM和μC/OS-Ⅱ的数据采集器的研究与设计[D];山东科技大学;2010年
4 叶智祥;基于ARM的以太网转换器研究及应用[D];长春理工大学;2010年
5 周巍;基于FPGA的QPSK数字解调技术研究[D];长春理工大学;2010年
6 张振;基于无线传感器网络的粮仓监控系统研究[D];郑州大学;2010年
7 蒋伟;基于S3C2410的恒温式自动量热仪的设计[D];郑州大学;2010年
8 方悦;基于嵌入式的变鳍型减摇鳍控制器研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 黄宇;嵌入式多模态生物特征识别系统设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 王殿义;航空自主导航后端子系统[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
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1 王长河;单粒子效应对卫星空间运行可靠性影响[J];半导体情报;1998年01期
2 闵应骅;;前进中的可信计算 软件容错[J];中国传媒科技;2006年02期
3 刘新云,熊国海;VHDL语言逻辑综合的研究[J];电测与仪表;2002年08期
4 汤晓慧,杨军,吴艳,吴建辉;基于Booth算法的32×32乘法器IP核设计[J];电子器件;2005年01期
5 朱一杰,张曦,俞军;双字节Booth乘法器的优化设计[J];复旦学报(自然科学版);2005年01期
6 任琼英,蔡金荣,罗光宣;星载计算机的单粒子效应及其软件防护加固技术研究[J];贵州大学学报(自然科学版);1998年03期
7 金美华;宋万杰;吴顺君;;FPGA中浮点乘法器的实现[J];火控雷达技术;2008年01期
8 王长龙,沈石岑,张传军;星载设备抗单粒子效应的设计技术初探[J];航天控制;1995年03期
9 陈跃跃,周兴铭;一种精确的分支预测微处理器模型[J];计算机研究与发展;2003年05期
10 胡伟武;张福新;李祖松;;龙芯2号处理器设计和性能分析[J];计算机研究与发展;2006年06期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 赵文辉;电子产品并行设计方法及虚拟原型仿真环境研究[D];国防科学技术大学;2002年
2 李侠;低功耗嵌入式微处理器的VLSI设计研究[D];复旦大学;2004年
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1 王重阳;单、双、扩展精度自适应浮点乘、除和开方运算单元的实现[D];华北电力大学(北京);2011年
2 贾琳;微处理器双发射的技术研究[D];西北工业大学;2005年
3 黄振远;一种星载计算机软件检错技术的研究与实现[D];哈尔滨工业大学;2006年
4 张远洋;素数域上公钥密码加速器库的研究与实现[D];解放军信息工程大学;2007年
5 朱国勇;可重组整数单元的研究与设计[D];华北电力大学(北京);2008年
6 王简瑜;基于SoC的分组密码可重构设计与实现[D];解放军信息工程大学;2008年
7 杨先文;GF(2~m)上椭圆曲线密码加速器设计与实现研究[D];解放军信息工程大学;2008年
【二级引证文献】
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1 刘海;嵌入式无线防伪系统的研究与实现[D];电子科技大学;2009年
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1 唐骞;杨小雪;;VLIW处理器的设计与实现[J];微型机与应用;2010年11期
2 高磊;戴冠中;;AES算法中SubBytes变换的高速硬件实现[J];微电子学与计算机;2006年07期
3 付学志;姚旺生;苟伟;谭斌;;基于FPGA的高速PID控制器设计与仿真[J];电子技术应用;2007年01期
4 秦洪武;;工程车四轮转向控制用位移传感器设计研究[J];拖拉机与农用运输车;2007年01期
5 徐科,杨雪飞,朱柯嘉,闵昊;32位嵌入式RISC处理器的硬件验证[J];微电子学;2003年06期
6 程虎;;先进科学计算机的标量指令优化[J];计算机研究与发展;1976年11期
7 徐浚;徐昆明;;757向量机流水线运算执行部件的设计[J];计算机研究与发展;1984年03期
8 李健航,潘孝梅;Pentium体系结构简介[J];微型机与应用;1994年10期
9 ;AST货出炉 采用猝发流水线高速缓存技术[J];每周电脑报;1997年44期
10 ;精彩“视”界 尽在眼前——XFX双DVI FX5700 Ultra显卡火爆上市[J];电脑采购周刊;2003年45期
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1 尤国平;田凌;郝文涛;;MEMS集成化设计方法及关键技术[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集(一)[C];2005年
2 张德峰;吕志涛;;现代预应力混凝土结构耐久性设计研究[A];第五届全国混凝土耐久性学术交流会论文集[C];2000年
3 黄志俊;曹平周;;大型薄壁筒体结构的开孔补强设计研究[A];钢结构工程研究(六)——中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会2006年学术交流会论文集[C];2006年
4 盖长利;赵人达;;C80高强混凝土用于铁路简支梁的设计研究[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2000年
5 陈宇峰;李晓红;;绿色建筑的新型结构措施[A];2009GHMT第7届两岸四地工程师(台北)论坛论文集[C];2009年
6 王道堂;;新世纪中的计算机应用前景[A];中国土木工程学会第八届年会论文集[C];1998年
7 宋琪瑛;张志刚;刘矛;王成华;;变刚度垫层上单独基础工作机理试验与设计方法研究[A];第六届全国结构工程学术会议论文集(第三卷)[C];1997年
8 杨树明;史胜达;;独立光伏电源系统设计方法[A];中国第六届光伏会议论文集[C];2000年
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10 崔平正;;管件试压抱、推管器液压驱动系统设计分析[A];液压与气动学术研讨会论文集[C];2004年
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1 本报记者 齐春青 张建玲;住宅从流水线上走下来[N];河北经济日报;2004年
2 记者 卢庆红 尚雄;全省首条新型茶叶自动流水线在缙云投入试运行[N];丽水日报;2010年
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10 刘功武许金根;华美:走向世界的品牌[N];中国现代企业报;2007年
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1 夏军;32位RISC微处理器设计研究[D];华中科技大学;2004年
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1 陆洲;基于FPGA的嵌入式彩色图像检测系统[D];天津大学;2006年
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5 张蕊;住区广场的设计研究[D];河北农业大学;2008年
6 图雅;蒙古八思巴文字视觉设计研究[D];中央美术学院;2009年
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8 狄野;展示中的光空间设计[D];上海戏剧学院;2007年
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