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专用指令集处理器定制关键技术研究与实现

吕雅帅  
【摘要】: 近年来,嵌入式芯片在掌上电脑、手机、数码相机以及其他数字产品当中得到了广泛应用。但随着应用对性能需求的不断提升,往往需要芯片应付面向某一领域的大量计算密集型任务。尽管通用处理器价格便宜、功能灵活,但往往无法满足这些特定领域应用的性能要求。为解决这一问题,人们向通用处理器中加入一些定制的专用硬件计算加速部件(即计算加速器),并通过利用这些计算加速器支持的扩展指令来加速应用程序的执行。面向应用的专用指令集处理器(Application Specific Instruction-set Processor, ASIP)设计就是基于这一思想发展而来的一种处理器设计方法。 与传统的采用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)来提升通用处理器性能的设计方法相比,设计ASIP只需在原有芯片的基础上进行少量修改就可以快速设计出适应特定应用的新芯片,大大缩短了芯片开发周期和上市时间。而ASIP设计过程的自动化实现对于提升ASIP设计效率具有非常重要的意义。本文重点研究了包括ASIP定制过程自动化实现在内的若干ASIP定制核心关键技术,主要包括面向特定应用的ASIP指令集自动扩展方法、面向多发射ASIP的计算加速器定制技术、ASIP计算加速器虚拟化技术,以及面向JPEG解码的多核ASIP设计实现方法。本文通过大量的实验对上述各种关键技术的实现进行了详尽的分析,有效地验证了各项相关研究工作。 本文所取得的主要研究成果有: 1.提出了一个全自动的面向特定应用的ASIP指令集扩展方法。该方法以传输触发体系结构(Transport Triggered Architecture, TTA)为实例,能够根据应用特征自动扩展指令集,并且较精确地估算扩展指令的性能加速比和硬件开销,高效完成指令模板匹配。实验结果表明,在给定的硬件开销限制下,该方法产生的扩展指令能够显著提升嵌入式应用的性能。 2.提出了面向多发射处理器的ASIP计算加速器定制技术。针对多发射处理器的处理能力往往受到程序中数据流图关键路径制约的特点,本文提出并实现了一个改进的贪婪选择算法和一个最优化计算加速器定制方法,并通过详尽的实验证明了该最优化方法不仅效果优于普通的贪婪方法,且能在合理的时间范围内求出计算加速器设计方案的最优解。 3.提出了面向ASIP的计算加速器虚拟化技术。虽然ASIP通过利用加速器提供的扩展指令,可以大幅提升ASIP面向领域的处理能力,然而,这些计算加速器只能加速那些在编译时加入了扩展指令的应用程序。对于在编译时没有加入扩展指令的应用而言,得不到任何性能提升。本文利用软件动态二进制翻译技术解决了这一问题,即将计算加速器虚拟化。与静态编译生成扩展指令的方法所不同的是,以动态虚拟化方式利用计算加速器面临许多新的问题。针对这些问题,本文提出了一系列解决方法,并通过详尽的实验加以了分析验证。 4.提出了面向JPEG解码的多核ASIP设计实现方法。通过对JPEG解码进行定性的分析,将其处理过程分为了四个主要任务,并借助ASIP设计方法对四个任务进行了指令扩展;接着,又通过分析其负载情况,将这四个任务进一步分为前期处理和后期处理两个模块,并用流水线处理的方式使两个处理模块并行化。JPEG解码是最常见的嵌入式应用之一,同时也属于典型的流媒体应用,本文工作对于设计其他面向特定应用的多核ASIP系统有着一定借鉴意义。


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