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32位高性能嵌入式向量微处理器关键技术的研究与实现

陆洪毅  
【摘要】: 近年来,嵌入式微处理器正在被迅速地应用到人们日常生活的各个方面。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。 提高嵌入式微处理器性能的一个途径就是将以前在高端微处理器中应用的技术下移到嵌入式微处理器中,使得成熟的技术可以被直接应用到嵌入式微处理器中,从而直接改善嵌入式微处理器的性能。 向量技术已经在许多高端的通用微处理器中得到应用,并在媒体信息处理等应用中取得了很好的效果。将向量技术应用在嵌入式微处理器,必然会提高嵌入式微处理器处理类似媒体信息等应用的能力,从而扩大嵌入式微处理的应用领域。 本文提出了一种基于标量向量混合执行模型的体系结构,并将之与标量执行模型、向量执行模型进行比较。通过Petri网模型分析与EDA工具的实验数据,证实标量向量混合执行模型适用于嵌入式微处理器的体系结构设计。 本文提出了基于ARM V4指令集体系结构扩展的银河TS-1指令集体系结构,在同一个指令集内同时支持标量机制和向量机制。 本文提出了一种基于二进制代码向量化的方法,可以有效地检测到二进制代码中单重循环的结构,并能够有效地对其可向量化的成份进行向量化。 本文提出并设计了银河TS-1 32位高性能嵌入式向量微处理器的体系结构。银河TS-1采用典型的RISC结构,六级流水线,具有独立的指令Cache和数据Cache。 基于标量向量混合执行模型,提出并设计了银河TS-1中向量的实现机制。支持向量基本运算操作,并能与标量执行机制完全融合。 另外,本文还研究了银河TS-1的低功耗设计技术,研究了银河TS-I对WISHBONE SoC接口的支持等设计技术。 最后,给出了银河TS-1的PPGA以及ASIC实现方案。银河TS-1已经在FPGA上通过了验证,在UMC 0.25μm工艺上的ASIC实现也即将完成。 总的来说,银河TS-1是一个高性能的嵌入式向量微处理器,能够兼容主流的嵌入式微处理器,支持向量处理,具有良好的接口,是一个具有自主知识产权的高性能嵌入式向量微处理器核。


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