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高性能数字信号处理器的研究与设计

李涛  
【摘要】: 本文结合九五国防预研课题背景,进行DSP处理器芯片核的设计研究。芯片核(Core)是已经完成了设计和验证的硅电路模块,可以用它在半导体芯片上构造更大更复杂的应用。本论文研究的前期任务是,以德州仪器TMS320C25数字信号处理器为目标,研制指令与时序完全与之兼容的数字信号处理器芯片核NDSP25。论文采用自顶向下的正向设计方法,完成了NDSP25芯片核微体系结构设计,全部电路实现与可测性设计工作。论文研究的后期任务是对超标量DSP处理器进行研究。C25数字信号处理器为十几年前的产品,为提高DSP芯片核的性能,论文提出了具有针对DSP应用特点的超标量DSP处理器微体系结构,实现了超标量流水线调度单元,为高性能DSP处理器的设计实现奠定了基础。国内目前还没有相关的同类研究工作的报道。 主要的研究与设计工作包括: 1) 利用高层次设计技术,采用自顶向下(Top Down)的正向设计方法,完成了具有自主版权的NDSP25数字信号处理芯片核的微体系结构及其电路设计,完成了基于FPGA实现的系统验证。其中,提出了流水线控制单元的优化设计,将控制状态机的状态数目从85个减少到23个,节省了电路面积,提高了速度。 2) C25中尚未实现可测性设计,根据自主独立设计的NDSP25芯片核的测试目标,提出了可测性设计方案,完成了测试电路设计。使用一个2165指令字长度的指令测试集,在付出了不到3%的面积代价的情况下,达到了89.34%的故障覆盖率。 3) 对超标量微体系结构进行了深入的研究,在设计空间理论的指导下,提出了超标量DSP处理器的指令发射策略:采用寄存器重命名方式、动态转移预测控制、滑动指令窗口顺序发射的结构。采用该指令发射策略,有效的解决了操作数伪相关问题,提高了指令发射率,减少了控制相关的影响。 4) 基于NDSP25数字信号处理器指令集,提出了超标量DSP处理器微体系结构SDSP,与标量结构的DSP处理器相比,总体性能加速比达到接近3倍的程度。 5) 论文针对在超标量DSP处理器中,如何有效减少由于控制相关而导致的性能损失进行了研究,提出了一种改进的转移目标缓冲器BTB结构,每周期能够进行多条转移指令的预测,同时获得86.5%的转移预测准确率。 本论文的研究工作主要结合九五国防预研课题“军用MPU、MCU技术”、“系统行为级IC CAD及建库技术”的研究来进行。高性能数字信号处理器的 摘要 研究成果,有助于加快我国研制具有自主版权的数字信号处理器芯片的进程, 为武器电子系统的核心芯片国产化打下基础,具有重要的应用前景。


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