基于異步映射的流水線替換策略研究.pdf

1、隨著對(duì)于速度和功耗的要求越來(lái)越高，高性能微處理器設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜。例如，Intel的Itanium2處理器使用了2.2億個(gè)晶體管，包括11個(gè)功能部件，能夠同時(shí)發(fā)射和提交6條指令。工作負(fù)載也在不停地變化，從早期以科學(xué)計(jì)算為主到今天個(gè)人桌面應(yīng)用、服務(wù)器事務(wù)處理、電子商務(wù)應(yīng)用和各種嵌入式應(yīng)用并存。為了保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，功耗、速度和成本成為微處理器設(shè)計(jì)的核心要素。 在這種背景下，基于全局時(shí)鐘的同步電路遇到了前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其先天的技

2、術(shù)特點(diǎn)使得其在速度和功耗的改進(jìn)上的空間越來(lái)越小。相反地，異步電路具有低功耗、高性能等一系列相比同步電路的優(yōu)勢(shì)，但其極大的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和異步資源的稀缺性嚴(yán)重影響了異步電路的設(shè)計(jì)和推廣。 本文以同步和異步設(shè)計(jì)相結(jié)合的思路，以流水線作為切入點(diǎn)和研究方向，提出了基于異步映射的異步流水線設(shè)計(jì)方法。它通過(guò)控制結(jié)構(gòu)替換，將同步流水線的時(shí)鐘替換成異步控制的握手信號(hào)，流水線的其他部分保持不變，從而在提高性能和降低功耗的基礎(chǔ)上降低了異步流水線設(shè)計(jì)的難

3、度。本文主要的創(chuàng)新和貢獻(xiàn)之處包括： 1.提出了用于異步映射的自控式單元，然后提出基于自控式單元的流水線模型，并證明了異步映射能夠在保證流水線功能的前提下保證流水線的性能，對(duì)異步流水線的性能同時(shí)進(jìn)行了描述和分析。 2.在異步映射方法的基礎(chǔ)上，三種類型流水線，即簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)流水線、復(fù)雜結(jié)構(gòu)流水線和門控信號(hào)控制的流水線的替換策略被提出并進(jìn)行研究，并對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)流水線的異步映射自動(dòng)化進(jìn)行了嘗試。 3.為了實(shí)現(xiàn)異步替換，提出了基

4、于異步映射的流水線前端替換流程。前端流程最大的優(yōu)點(diǎn)為規(guī)避了異步綜合步驟，降低了設(shè)計(jì)者進(jìn)行異步設(shè)計(jì)和門檻和復(fù)雜度。通過(guò)在前端設(shè)計(jì)的前半階段采用同步設(shè)計(jì)，而在同步網(wǎng)表上進(jìn)行異步控制單元的替換，并利用同步綜合得到的時(shí)序約束進(jìn)行延遲網(wǎng)絡(luò)的生成，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和異步設(shè)計(jì)的入門門檻。 4.簡(jiǎn)單流水線的24位流水線、基于ARM指令集的超標(biāo)量復(fù)雜流水線和門控信號(hào)控制的流水線分別被用前端替換流程實(shí)現(xiàn)，以此證明異步映射的可行性和可靠性。其中簡(jiǎn)單流

5、水線重點(diǎn)在于檢驗(yàn)基于自控式單元的異步映射方法和異步替換流程的正確性；復(fù)雜結(jié)構(gòu)流水線的異步替換重點(diǎn)分析了異步映射下同異步流水線的性能變化；門控型號(hào)控制的流水線主要目的在于檢驗(yàn)利用自控式單元替換了門控時(shí)鐘后的功耗情況。 5.異步流水線的后端實(shí)現(xiàn)一向是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在，本文專門對(duì)此進(jìn)行闡述，對(duì)一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，并提出異步標(biāo)準(zhǔn)單元和異步處理器的物理實(shí)現(xiàn)流程。在此基礎(chǔ)上，24位簡(jiǎn)單流水線結(jié)構(gòu)的流水線被實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了功耗分析。 采