低功耗异步80C51微处理器设计

发布时间：2017-11-10 10:08

  本文关键词：低功耗异步80C51微处理器设计

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【摘要】：低电压是微处理器低功耗设计最有效的方法之一。工艺参数波动对电路延时的影响随着电压的降低而增大,同步电路需要保留额外的时序余量来保证其功能正确,由此导致的性能下降成为低电压设计的瓶颈。异步电路通过握手保证时序的正确性,虽然面积开销较大,但可以自适应工艺参数波动带来的影响,在低电压下具有高性能低功耗的特点,适合应用于低电压微处理器设计。本文使用定制NCL(Null Convension Logic)单元与双轨数据编码设计了基于SMIC 40nm的低功耗异步80C51微处理器。首先根据异步电路的结构,建立异步电路的延时和功耗模型,论证了异步电路低电压下相对同步电路性能和功耗上的优势。通过不同类型的异步电路模型对比,确定了采用NCL逻辑异步电路的技术路线。其次,异步80C51微处理器设计使用了全新的精简三级流水架构,简化了流水线结构,增加了组合逻辑的级数,降低了局部工艺参数波动对延时的影响,并降低了功耗。在寄存器堆设计中,通过对寄存器堆中相同功能的寄存器进行合并,降低了寄存器堆的功耗。采用分支电路优化的方法,对微处理器中电路中的冗余反馈逻辑进行了精简,降低了分支电路中寄存器的功耗。运算单元采用了Wavefront steering技术优化了组合逻辑,提高了微处理器的能效。最后使用静态逻辑设计了NCL单元库,优化了单元尺寸,并基于UNCLE工具完成异步80C51微处理器的综合。搭建了异步电路仿真验证平台,以同步80C51为参照,对异步80C51的性能和功耗进行了对比。在0.6V工作电压,异步80C51的能量延时积相对同步80C51有14.2%的提升。最后验证了异步微处理器性能功耗随电压的变化,结果表明,在更低的电压下,异步80C51相对同步80C51在性能和功耗上都有着更加明显的优势。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP332

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本文编号：1166164