多核处理器运算及核间通讯模块设计研究

发布时间：2020-02-18 00:24

【摘要】：由于相比于单核处理器具有更高的性能,相比于专用集成电路具有更大范围的通用性和灵活性,多核处理器系统已经逐步成为近年来处理器市场的主流发展趋势。从最初的个人电脑领域到目前竞争日趋激烈的便携电子设备市场,双核处理器、四核处理器已被普遍应用。然而根据嵌入式电子设备的应用特点,高处理性能和低能量消耗成为产业界中各个处理器生产厂商共同追求的目标,同时也是学术界的研究热点。和传统处理器目标一致的是,多核处理器依然追求单个处理单元的计算效率。和传统单核处理器不同的是,多核处理器需要根据应用的特点将程序分配到不同的处理核心,然后不同核心间需要进行数据共享和同步,因此核间通信结构和模块也是影响多核处理器性能的决定性因素。虽然目前已经有很多优秀的多核处理器研究成果,不过由于其系统的复杂性和应用环境的多样性,并没有一个最优的或者统一的体系架构占据市场的主导地位,这也就意味着仍然有许多内容和方向值得研究和探索。本文旨在针对通信和多媒体应用领域,在分析和借鉴已有的优秀多核处理器架构基础上,提出用以提高系统性能和功耗效率的运算和通信模块的设计方法。论文主要内容包括已流片完成的第一版多核处理器中运算模块的设计和应用在第二版处理器中的可执行运算阵列,以及多核处理器核间通讯机制的设计,还包括在TSMC65nm工艺下使用先进的高速低功耗后端设计流程。具体内容如下： (1) SIMD运算单元与可执行运算阵列本论文在一款以MIPS324KE作为设计参考并部分兼容MIPS32指令集的RISC单核处理器下,对其中的运算单元(包括MDU,ALU,Shifter)进行操作模式的扩展并增加相对应操作指令,利用其数据并行性来提升数据处理的效率,达到提高性能和降低功耗的目的。另外针对第一版多核处理器中对通信和多媒体应用中特定计算效率不足的问题,在第二版处理器的设计中,以H.264和LTE为主要参考对象,对程序进行分析,提取出特定的加速单元构成一个网络阵列,在不同的程序运行之前对其进行不同的配置,明显提高其运算效率。 (2)可配置寄存器文件及FIFO映射核间通信机制在本文中,对传统寄存器文件做了扩展,采用了以寄存器组为单位的可配置寄存器文件,这样做的好处是为应用程序增大了数据暂存的空间,减少了寄存器文件和数据存储器之间存取访问带来的功耗。另外在核间通讯方面,本文采用基于二维网格的数据通信(message-passing)方式,对于处理器与片上网络通信的FIFO,在原有的存储器映射机制基础上,增加了通过配置的方式映射到存储器文件地址空间的通信方式,这样处理器的计算结果就可以直接发送到消费端处理器而无需先暂存于寄存器文件或存储器内,是提高通信效率的一种简单有效的设计方法。 (3) TSMC65nm工艺下的高性能低功耗后端流程设计在总结处理器前端设计中利用SIMD架构,可配置寄存器和两种门控时钟技术提升处理器性能降低功耗外,在芯片的后端设计方面,探讨了利用TSMC65nm工艺提供的多种标准单元库以及工具所支持的多阈值设计流程对性能和功耗的优化技术。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP332

【参考文献】