专用指令集处理器（ASIP）体系结构设计研究

发布时间：2020-07-20 20:08

【摘要】：专用指令集处理器(ASIP，Application Specific Instruction Set Processor)是一种新型的具有处理器结构的芯片，它为某个或某一类型应用而专门设计。通过权衡速度、功耗、成本、灵活性等多个方面的设计约束，设计者可以定制ASIP达到最好的平衡点，从而适应嵌入式系统的需要。因而ASIP在嵌入式领域具有良好的应用前景。 ASIP设计需要面对多种类型的应用定制最优的体系结构，应用多样性和设计时效性是迫切需要解决的问题。然而，目前ASIP体系结构设计的研究大多在某个局部展开，难以提供一种具有易用性、快速性和可评估性的设计方法和环境。所以，本文在对具体的ASIP设计步骤和现有设计方法学进行分析的基础上，提出一种“描述-搜索-细化”的ASIP体系结构设计流程，研究了设计中体系结构描述、搜索与低功耗优化的问题，并依此实现完整的设计环境原型。主要研究归结为 ① 基于ASIP体系结构描述语言xpADL的软件工具生成技术。使用体系结构描述语言xpADL驱动设计流程，设计和实现了描述语言可执行语义的转化和扩展机制，支持快速的功能性验证和性能估计。 ② 基于基本指令集方法的指令集定制和结构属性设计空间搜索技术。定制指令集时利用性能、能耗、面积等多指标归一化模型评估指令集扩展的效果，并采用低功耗状态编码的思想进行指令字编码。同时，采用自动生成的软件工具对由流水线、功能部件、存储部件等构成的结构属性设计空间进行搜索，得到最优的ASIP体系结构。 ③ 结合ASIP体系结构特征，以应用特征为指导，针对指令集(程序代码)、流水线和存储部件进行了低功耗优化研究。 ④ 在上述研究的基础上，实现了一个支持“描述-搜索-细化”设计流程的ASIP体系结构设计环境原型A~2IDE，并基于此平台定义了采用ARM、PISA和Vcore等体系结构的实验型ASIP，验证了A~2IDE的有效性。本论文做出的贡献主要体现在： (1)在深入分析已有的电子系统设计方法学的基础上，实现了“描述-搜
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP332
【图文】：

对应关系,代码,操作数,指令功能

3.5.1.3指令功能函数类C的单一行为描述在根据显式定义的操作数进行操作数到变量的替换之后，能被直接用作指令功能函数中的代码语句。如图3.7中的源操作数SRCI和目的操作数DsT分别被替换成具有操作数信息的变量从红仁WORD和私又盯，从而获得代码语句丽et(从牡处盯)reda(VA--RWORD))。图3.7显示了描述片断和代码片断中四个部分的对应关系。其中存储单元分配宿主机的内存来模拟，对于大内存采用存储池的数据结构管理模拟。域和变量都进行宏展开，前者用来获得指令字中的字段取值，后者用作基本函数erad和叭居iet中的参数。最后，指令的统一类C行为描述把操作数的标记替换成对应的变量，形成C语言语句，可以直接放入指令功能函数中。指令行为执行就是通过调用指令功能函数实现的。

指令集,乘法,功耗,代码

满足嵌入式设计的一些约束的同时，能够达到高效的特点。为了提高应用程序的执行效率，在SFU实现中通常会采用封装并行操作，或者封装出现频度较高的一组指令的方法。图.44显示了封装数据流图中乘法和加法指令的例子，乘法和加法组合形成的乘加指令需要一个SFU乘加器来执行。

循环体,指令字段,起始标记,缓冲条件

到功耗优化的效果，要在应用分析时对循环连续执行次数进行预估，连续执行次数大于阂值的循环，才被认为能够供缓冲处理。代码扩充如图5.3所示，原始代码中符合缓冲条件的循环体被逐个进行扩充。扩充循环体由三个部分组成:循环起始标记指令LBE(loopbgein)，原始循环体和分支延迟“.‘图5.3代码扩充LBE包括两个指令字段:操作码域和指示扩充循环体大小的域，分别记为po和siez。鉴于缓冲处理的循环体较小，只要6位的siez字段就能指明最多128条指令的循环体，所以无论是16位或者32位的嵌入式应用，甚至是指令位数更少的嵌入式体系结构，定制指令集中加入LBE从编码角度来看是合适的。在分支延迟槽中插入nop指令是保证程序运行次序的一个简单而又有效的方法。每次缓冲的循环体流出分支指令时

【共引文献】