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文檔簡介
1、隨著微處理器性能的不斷提升,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,日益增加的運(yùn)算量和復(fù)雜度已經(jīng)稱為當(dāng)前嵌入式設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。在數(shù)字媒體、汽車電子、可移動(dòng)電視以及智能手機(jī)等領(lǐng)域,復(fù)雜多變的應(yīng)用需求使微處理器的運(yùn)算能力面臨著巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前主要的加速機(jī)制包括多核處理器加速、專用集成電路(ASIC)加速、基于可配置處理器的定制指令加速、協(xié)處理器加速(如FPGA/DSP等)等。分析和研究各種加速機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn),為嵌入式系統(tǒng)加速機(jī)制的發(fā)展方向做一個(gè)有益的探
2、索是本論文的寫作目的。
本學(xué)位論文圍繞定制指令加速和協(xié)處理器加速兩種機(jī)制的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證工作展開研究,重點(diǎn)研究了可配置處理器的設(shè)計(jì)方法學(xué),定制指令和協(xié)處理器的設(shè)計(jì)方法,兩種加速機(jī)制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和加速性能比較,以及以處理器為中心的SOC驗(yàn)證方法等。
本論文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括:
(1)與項(xiàng)目組成員合作完成了“H.264視頻解碼芯片-VF1000”項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作,負(fù)責(zé)可配置處理器的生成和定制指
3、令的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工作?;诙鄠€(gè)可配置處理器核和硬件加速模塊的SOC架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了VGA分辨率30fps解碼速度的視頻編解碼系統(tǒng),成功地在多普達(dá)手機(jī)和惠普個(gè)人數(shù)字助理(PDA)上通過了測試。通過ARC公司的MetaWare軟件編譯調(diào)試集成環(huán)境分析算法瓶頸,并利用Architect2處理器配置工具生成配置CPU,集成設(shè)計(jì)的定制指令硬件描述來加速視頻編解碼系統(tǒng)。
(2)研究了基于可配置處理器的設(shè)計(jì)方法學(xué)和可配置處理器的架構(gòu),對(duì)H.26
4、4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的量化和變化算法進(jìn)行了深入的研究。研究了基于可配置處理器的SOC設(shè)計(jì)方法學(xué),提出了一種針可配置處理器的特性對(duì)當(dāng)前的SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)進(jìn)行改進(jìn)的方法。研究了影響處理器性能提升的因素,定制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)提高可配置處理器性能的影響,采用優(yōu)化調(diào)度算法和減少關(guān)鍵路徑運(yùn)算級(jí)數(shù)的方法,以定制指令方式實(shí)現(xiàn)了變換和反變換、量化和反量化算法。在聯(lián)華電子(UMC)0.13μm工藝下實(shí)現(xiàn),經(jīng)JVT參考測試碼流測試表明設(shè)計(jì)滿足在200MHz主頻下的實(shí)時(shí)處
5、理速度,并將該設(shè)計(jì)方法成功運(yùn)用于微軟亞洲研究院(北京)的存儲(chǔ)系統(tǒng)加速項(xiàng)目研究中。
(3)與項(xiàng)目組成員合作完成了高性能浮點(diǎn)協(xié)處理器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,主要負(fù)責(zé)協(xié)處理器的架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證工作。研究了基于SystemC的系統(tǒng)級(jí)建模方法,提出了一種綜合SystemC,Verilog HDL和VHDL等不同層次描述語言的快速系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)方法,并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種VFP-A協(xié)處理器的抽象層模型。該浮點(diǎn)協(xié)處理器通過ARM協(xié)處理器接口與主處理器連
6、接,兼容VFP11指令集。在乘法舍入方法的實(shí)現(xiàn)和寄存器堆的讀寫控制等方面均提出了新的實(shí)現(xiàn)方式。乘法舍入的實(shí)現(xiàn)通過將單精度和雙精度的舍入實(shí)現(xiàn)算法相結(jié)合,并將乘法的部分積譯碼和部分積壓縮緊密結(jié)合,從而構(gòu)成高速流水線乘法器,使乘法運(yùn)算的速度加快、代價(jià)更小。在寄存器堆的讀寫控制方面通過給三條流水線分配優(yōu)先級(jí),使優(yōu)先級(jí)高的流水線先寫寄存器堆,而優(yōu)先級(jí)相對(duì)低的流水線先將要寫入寄存器堆的數(shù)據(jù)寫入緩沖隊(duì)列。當(dāng)緩沖隊(duì)列中存在有效數(shù)據(jù)時(shí)先將緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)
7、寫入到寄存器堆中,同時(shí)將流水線中的數(shù)據(jù)寫入到緩沖隊(duì)列中。如果有多條流水線要進(jìn)行寫操作,但緩沖隊(duì)列中沒有足夠的空間進(jìn)行存儲(chǔ),那么優(yōu)先級(jí)低的流水線就要先停止工作,直到有緩沖空間可以使用的實(shí)現(xiàn)方案。該方案降低了寄存器堆的功耗和占用面積。該浮點(diǎn)協(xié)處理器在90nm CMOS工藝下最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到600MHz,實(shí)現(xiàn)了一款具有高性能和低成本的浮點(diǎn)協(xié)處理器。
(4)對(duì)比研究了代碼覆蓋率驅(qū)動(dòng)和功能覆蓋率驗(yàn)證方法的優(yōu)缺點(diǎn),提出了一種將代碼
8、覆蓋率和功能覆蓋率兩種覆蓋率相結(jié)合來設(shè)計(jì)和完善測試用例,依據(jù)驗(yàn)證目的和精確需求來選擇驗(yàn)證IP模型的驗(yàn)證方法。在驗(yàn)證前期的模塊功能仿真驗(yàn)證階段,基于白盒驗(yàn)證策略對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行接口時(shí)序和內(nèi)部功能的驗(yàn)證,以代碼覆蓋率作為一個(gè)衡量驗(yàn)證程度的標(biāo)準(zhǔn),通過分析覆蓋率不斷調(diào)整激勵(lì)向量以提高功能驗(yàn)證效率。在集成驗(yàn)證階段,采用總線功能模型代替硬件IP模塊,屏蔽了模塊內(nèi)部具體的邏輯實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)驗(yàn)證階段,系統(tǒng)內(nèi)模塊的功能需要集成到驗(yàn)證的驗(yàn)證特性集合中,采用抽象
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