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基于数据触发的多核异步微处理器关键技术研究

发布时间:2022-12-23 01:58
  随着VLSI技术的迅猛发展与应用需求的不断提高,单纯依靠提高主频已经很难进一步提高微处理器的性能,采用以多核微处理器为代表的先进体系结构已经逐渐成为提高微处理器性能的主要途径。但是,多核微处理器中功耗、时钟偏移等问题将越来越严重。异步电路具有天然的低功耗优势且不存在时钟偏移问题,使得多核异步微处理器必然成为未来微处理器发展的一个重要方向。尽管如此,多核异步微处理器设计研究尚存在一系列科学问题亟待解决,主要包括异步电路设计方法学、异步计算内核体系结构、异步互连网络结构、多核异步微处理器功耗性能评测等。针对多核异步微处理器体系结构面临的核心理论与设计实现问题进行研究,可为未来多核异步微处理器芯片的设计与实现提供坚实的理论和技术基础,具有重要的理论意义和应用价值。 本文基于数据触发体系结构,对多核异步微处理器体系结构展开了深入的研究。首先研究了异步电路设计方法,高效的异步电路设计方法是开展异步集成电路设计的关键。其次,对异步数据触发计算内核与异步互连网络结构分别进行研究。最后,提出了一个多核异步微处理器原型并进行功耗评估。本文所取得的研究成果主要有: 1、提出了一种基于宏单元... 

【文章页数】:203 页

【学位级别】:博士

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图目录
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 微处理器的发展趋势
        1.1.2 多核微处理器面临的挑战
        1.1.3 异步集成电路的优势以及面临的挑战
        1.1.4 课题目标与来源
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 异步电路设计自动化
        1.2.2 异步微处理器
        1.2.3 异步互连网络
    1.3 本文研究内容
        1.3.1 基于宏单元的异步电路自动化设计流程及功耗性能优化方法
        1.3.2 基于数据触发的异步计算内核体系结构
        1.3.3 高性能低功耗异步片上网络体系结构
        1.3.4 多核异步微处理器原型及其功耗评估
    1.4 本文主要创新工作
    1.5 论文结构
第二章 异步集成电路基础与设计方法综述
    2.1 引言
    2.2 异步电路基本概念
        2.2.1 握手协议
        2.2.2 数据编码方式
        2.2.3 延迟模型
    2.3 异步电路设计方法发展历程
    2.4 语法驱动转换的异步电路设计方法
        2.4.1 前端编译
        2.4.2 后端映射
    2.5 同步-异步电路转换异步电路设计方法
        2.5.1 基于延迟匹配的同步-异步电路转换方法
        2.5.2 基于准延迟无关的同步-异步电路转换方法
    2.6 基于定制的细粒度高性能异步电路设计方法
    2.7 异步电路设计方法比较分析
    2.8 本章小结
第三章 基于宏单元的异步电路设计自动化流程及优化方法
    3.1 引言
    3.2 基于宏单元的异步电路设计流程
        3.2.1 总体流程
        3.2.2 数据通路设计方法
        3.2.3 控制通路设计方法
        3.2.4 宏单元全定制流程
    3.3 基于宏单元的异步电路设计自动化流程
        3.3.1 总体流程
        3.3.2 异步数据通路自动生成
        3.3.3 异步控制通路自动生成
        3.3.4 相关工作比较
    3.4 功耗及性能优化方法
        3.4.1 流水线结构
        3.4.2 功耗及性能冗余问题分析
        3.4.3 功耗及性能优化方法
        3.4.4 异步乘法器设计优化
    3.5 异步DLX流水线设计实现
        3.5.1 DLX流水线
        3.5.2 异步DLX流水线设计实现
        3.5.3 面积比较
        3.5.4 性能比较
    3.6 本章小结
第四章 基于数据触发体系结构的异步微处理器内核
    4.1 引言
    4.2 数据触发体系结构
        4.2.1 数据触发思想
        4.2.2 指令集格式
        4.2.3 DTA流水线结构
        4.2.4 功能单元与寄存器文件
        4.2.5 局部传输网络
    4.3 异步数据触发体系结构
        4.3.1 微处理器体系结构软硬件折衷
        4.3.2 DTA异步化设计问题分析
        4.3.3 异步数据触发体系结构
    4.4 微体系结构及电路实现
        4.4.1 异步DTA流水线结构
        4.4.2 功能单元优化
        4.4.3 数据源选择策略
    4.5 腾越-Ⅱ异步微处理器实现及评测
        4.5.1 腾越-Ⅱ总体结构
        4.5.2 数据触发计算内核
        4.5.3 Cache系统
        4.5.4 外围设备
        4.5.5 VLSI实现
        4.5.6 测试和验证
    4.6 本章小结
第五章 基于层次位线缓冲结构的异步互连网络
    5.1 引言
    5.2 传统片上互连网络体系结构
        5.2.1 同步片上网络结构
        5.2.2 异步片上网络结构
    5.3 基于层次位线的片上缓冲结构
        5.3.1 同步路由器vs.异步路由器
        5.3.2 层次位线缓冲结构
    5.4 基于层次位线缓冲结构的同步路由器结构
        5.4.1 HiBB路由器基本结构
        5.4.2 统一缓冲结构
        5.4.3 VC控制逻辑
        5.4.4 VA与OA部件结构
        5.4.5 VC调整策略
        5.4.6 HiBB路由器流水线结构
        5.4.7 实验结果
    5.5 基于层次位线缓冲结构的异步路由器结构
        5.5.1 AHiBB路由器基本结构
        5.5.2 输入通道结构
        5.5.3 输出通道结构
        5.5.4 VA部件结构
        5.5.5 输出虚通道结构
        5.5.6 VC仲裁器结构
        5.5.7 实验结果
    5.6 本章小结
第六章 数据触发多核异步微处理器原型及功耗评测
    6.1 引言
    6.2 多核异步微处理器原型
        6.2.1 LEON-3计算内核结构
        6.2.2 DTA计算内核结构
        6.2.3 传输网络
        6.2.4 多核通信机制
        6.2.5 多核同步机制
    6.3 功耗评测
        6.3.1 MultiMoveSim
        6.3.2 异步电路功耗模型基本思想
        6.3.3 异步内核功耗模型
        6.3.4 异步互连网络功耗模型
    6.4 功耗评测结果
    6.5 本章小结
第七章 结论与展望
    7.1 工作总结
    7.2 工作展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果


【参考文献】:
期刊论文
[1]低功耗微处理器中异步流水线设计[J]. 石伟,王友瑞,陈芳园,任洪广,陆洪毅,王志英.  国防科技大学学报. 2009(05)
[2]具有拥塞缓解策略的动态虚拟通道研究及其VLSI实现[J]. 赖明澈,王志英,郭建军,戴葵.  计算机学报. 2008(11)
[3]面向TTA结构的可重定向周期精确模拟器的设计与实现[J]. 岳虹,王志英,戴葵,赵学秘.  计算机工程. 2007(12)
[4]一种32位异步乘法器的研究与实现[J]. 李勇,王蕾,龚锐,戴葵,王志英.  计算机研究与发展. 2006(12)
[5]LCD控制器中异步电路的设计[J]. 范文,邹雪城,雷鑑铭,曾永红.  微电子学与计算机. 2006(05)
[6]异步集成电路标准单元的设计与实现[J]. 赵冰,仇玉林,黑勇.  电子器件. 2005(02)
[7]Verilog RTL模型[J]. 沈理.  同济大学学报(自然科学版). 2002(10)
[8]采用异步电路的低功耗微控制器的VLSI设计与实现[J]. 俞颖,周磊,闵昊.  半导体学报. 2001(10)

博士论文
[1]同步数据触发体系结构多核处理器存储系统关键技术研究[D]. 郭建军.国防科学技术大学 2008
[2]同步数据触发多核处理器体系结构关键技术研究[D]. 赖明澈.国防科学技术大学 2008
[3]异步控制电路设计与实现关键技术研究[D]. 阮坚.国防科学技术大学 2008
[4]嵌入式异构多核处理器设计与实现关键技术研究[D]. 岳虹.国防科学技术大学 2006

硕士论文
[1]传输触发微处理器异步功能单元的设计与实现[D]. 王友瑞.国防科学技术大学 2008
[2]异步乘法器关键技术研究与实现[D]. 龚锐.国防科学技术大学 2005



本文编号:3724480

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