M-DSP中定点乘加部件的设计验证与优化

发布时间：2017-04-14 16:07

  本文关键词：M-DSP中定点乘加部件的设计验证与优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：数字信号处理器(DSP)广泛应用于航空航天、通信基站等领域。由于这些领域中数据处理量的加大以及实时性的要求提升,使得高性能、低功耗DSP成为国内外的研究热点。M-DSP是一款自主研发的32位高性能多核DSP,在40nm工艺下,主频可达1GHz。本文依托M-DSP的研制与开发,完成了内核运算单元中的定点乘加部件的设计、验证、优化、综合,主要的研究内容与具体工作如下:1、设计实现了32位高性能定点乘加部件(MAC,Multiply Accumulate)的指令集和结构。首先,本文设计了定点MAC相关的指令集和指令编码;然后,用4级流水结构实现定点加/减法、乘法、乘加/减、复数乘法、点积、数据搬移、地址加/减法和标向量广播指令。为了提高计算性能,对加/减法与乘法运算提供16位SIMD功能支持。2、设计实现了适合定点乘法与浮点乘法共用的54×32位乘法器。该乘法器由4个27×16位乘法器组成,可以实现一个有/无符号32位乘法和两个有/无符号16位SIMD乘法。为了降低面积,本文采用定点MAC与浮点MAC共享该乘法器和流水复用策略,单周期实现两个单精度浮点尾数24位乘法和两个周期实现一个双精度浮点尾数53位乘法。在满足设计性能要求的基础上大大减小了面积开销。3、对所设计的定点乘加部件进行了充分验证。制订了逐层深入的验证方案,建立了黄金模型作为标准对比结果。进行了模块级与系统级验证、基于覆盖率的验证、随机数验证,建立了自动验证对比的回归验证环境;采用静态的验证方法进行了形式化验证和代码检查。4、对所设计的定点乘加部件进行了优化与综合。基于40nm工艺,工作频率1GHz,关键路径450ps,单元面积31472.112μm2,单元总功耗13.4074m W,满足设计的性能需求。对定点乘加部件进行了功耗优化,采用功耗分析工具Spyglass对优化前后的功耗进行了评估,结果表明,总功耗及固定时间段的峰值功耗均有所降低。
【关键词】：定点乘加部件 设计 验证 优化
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP332
【目录】：

• 摘要10-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 课题研究背景与研究意义13-14
• 1.1.1 课题研究背景13-14
• 1.1.2 课题研究意义14
• 1.2 M-DSP概述14-17
• 1.2.1 M-DSP总体介绍14-15
• 1.2.2 运算单元介绍15-17
• 1.3 相关研究现状17-20
• 1.3.1 乘法器17-18
• 1.3.2 Booth算法18-19
• 1.3.3 进位保留加法器19-20
• 1.4 论文的研究内容和组织结构20-23
• 1.4.1 论文的研究内容20-21
• 1.4.2 论文的组织结构21-23
• 第二章 IMAC部件的设计与实现23-41
• 2.1 定点MAC指令集设计23-25
• 2.1.1 指令分类23-24
• 2.1.2 指令编码24-25
• 2.2 IMAC总体结构设计25-27
• 2.3 乘法器设计27-34
• 2.3.1 共享乘法器设计27-30
• 2.3.2 54×32 位乘法器设计30-31
• 2.3.3 27×16 位乘法器设计31-32
• 2.3.4 乘法器性能评估与分析32-34
• 2.4 乘法相关指令的设计34-36
• 2.4.1 乘加/减指令的设计34-35
• 2.4.2 点积指令设计35
• 2.4.3 复数乘法指令设计35-36
• 2.5 特殊模块设计36-39
• 2.5.1 地址模块设计36-38
• 2.5.2 标向量广播的设计38-39
• 2.6 本章小结39-41
• 第三章 IMAC部件的验证41-59
• 3.1 验证方案与黄金模型41-43
• 3.1.1 验证方案41-42
• 3.1.2 黄金模型的建立42-43
• 3.2 基本功能点验证43-45
• 3.2.1 模块级验证43
• 3.2.2 系统级验证43-45
• 3.3 指令组合验证45-49
• 3.3.1 地址部件指令组合验证45-47
• 3.3.2 运算类指令组合验证47-48
• 3.3.3 部件间指令组合验证48-49
• 3.4 全局信号的验证49-52
• 3.4.1 全局暂停信号G_Stall49-50
• 3.4.2 全局中断信号IH_Flush50
• 3.4.3 流水暂停信号BR_SNOP/VNOP50-51
• 3.4.4 条件执行CR51
• 3.4.5 调试仿真ET51-52
• 3.5 基于覆盖率的验证52-53
• 3.6 随机数验证53-54
• 3.7 形式化验证54-56
• 3.7.1 ATEC等价性检查54-55
• 3.7.2 Formality等价性检查55-56
• 3.8 回归验证与代码检查56-58
• 3.8.1 回归验证56-57
• 3.8.2 代码检查57-58
• 3.9 本章小结58-59
• 第四章 IMAC部件的优化与综合59-69
• 4.1 逻辑优化的方法59-61
• 4.2 IMAC部件的综合与性能分析61-63
• 4.2.1 综合与综合流程61-62
• 4.2.2 IMAC综合性能评估62-63
• 4.3 IMAC部件的功耗优化63-68
• 4.3.1 功耗优化的基本方法63-65
• 4.3.2 功耗分析工具Spyglass65-66
• 4.3.3 IMAC中功耗的优化66-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 结束语69-71
• 5.1 全文总结69-70
• 5.2 工作展望70-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-77
• 作者在学期间取得的学术成果77

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本文编号：306353