【摘要】： 微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。基于本文作者參與設計的32-bit嵌入式處理器RISC32E,分析標量處理器的性能和頻率瓶頸,提出一種異質媒體雙發(fā)射處理器POLLUX結構框架,探討處理器流水線微結構、分支預測和媒體數(shù)據(jù)通路的設計。 嵌入式微處理器的性能提高方法主要有兩種:頻率提升和體系結構改進。存儲壁壘限制了短流水線處理器的頻率提升,標量處理器的最大吞吐率不超過每周期一條指令。本文以訪存操作為導向劃分POLLUX的流水線,通過獨立的媒體流水線和整型流水線構建POLLUX的亂序執(zhí)行的雙發(fā)射結構框架。本文設計了高性能的數(shù)據(jù)旁路網(wǎng)絡和新穎的粗粒度分布式控制機制解決流水線互鎖問題;設計了低硬件開銷的重排序緩沖器解決了亂序執(zhí)行處理器的精確異常問題。實驗結果表明,POLLUX在TSMC13G標準單元工藝下,worst case主頻超過400MHz,typical case主頻超過580MHz,Dhrystone測評分值為1.4 DMIPS/MHz。對FFT、DCT、FIR、LMS等媒體核心算法性能評估的結果表明,異質媒體雙發(fā)射結構具有較強的媒體處理能力。 隨著處理器可利用的指令級并行性的增加,程序中條件分支和無條件分支指令的頻繁出現(xiàn)使得控制相關迅速成為提高并行度的限制因素。為了盡量減小分支指令造成的性能損失,提高處理器的指令流吞吐率,POLLUX采用動態(tài)分支預測作為有效探索指令級并行的一種關鍵方法。通過評測在不同配置下多種分支預測器的預測精度、面積和功耗,本文采用Gshare、Bimodal預測器作為嵌入式處理器的優(yōu)選方案,并且提出一種軟件可配置的雙模式分支預測器。實驗結果表明,本文實現(xiàn)的分支預測電路以13,907門的硬件代價取得91%的分支預測精度。 媒體數(shù)據(jù)通路是POLLUX微結構的重要組成部分,本文以POLLUX的媒體指令擴展為基礎,結合時延和功耗優(yōu)化提出一種基于標準單元的結構層次的數(shù)據(jù)通路優(yōu)化方法,應用于媒體數(shù)據(jù)通路中的分裂式乘加器。實驗結果表明,利用該方法優(yōu)化后的分裂式乘加器提高性能33.6%的同時降低了27.1%的功耗。
【圖文】：

1.2.2高度可配置的嵌入式處理器Tensilicalniemational是目前可配置嵌入式處理器IP核的主要提供商。xtensa[l5]系列處理器作為其代表性產(chǎn)品，是面向嵌入式soC(system-on一ChiP)應用的可配置，可擴展以及可綜合的處理器軟核。Xtensa處理器設計的基本原則就是使處理器具有靈活的可配置性從而使得系統(tǒng)集成設計師能夠根據(jù)不同的Soc應用定制不同的系統(tǒng)。Xtensa處理器可在其基本微結構上定制特殊的指令、不同容量和結構的存儲子系統(tǒng)、處理器外圍接口部件以及能夠成倍提高特定應用程序執(zhí)行效率的硬件執(zhí)行單元，圖l一3顯示Xtensa處理器的可配置結構。最新的xtensa7采用5級流水線的基本微結構，在TsMCO，13林m高密度單元庫下達到350MHz。與ARC處理器根據(jù)用戶需求人工裁減和修改處理器微結構的方式不同，用戶可以根據(jù)Tensilica提供的xP既5ComPi!er分析c/c一算法，，xP既s根據(jù)特定算法給出建議的配置選項。同時介nsiliea提供專用的TIE(TensilieaInsn刀ctionExtension)語言和XtensaProeessorGenerator軟件工具，能夠自動生成定制的處理器微結構，以及配套的軟件環(huán)境包括實時操作系統(tǒng)、交叉編譯器、仿真器等。

1.2.5多線程擴展的嵌入式處理器多線程處理器的目的是減少長延遲操作對處理器效率的影響，例如減少緩存缺失和執(zhí)行時間長的指令對處理器效率的影響。多線程處理器通常為每個線程維護獨立的程序計數(shù)器(Progn”nCounter)和寄存器。細粒度多線程處理器每周期切換一次線程，而粗粒度多線程每隔一定時間(TS，Time一slice)或者遇到長等待事件(SoE，Switch一on一Event)才切換一次線程。同時多線程(sMT，simultaneousMultithreading)由Eggers等人[25]提出，在一個周期發(fā)射多個線程的多條指令并發(fā)執(zhí)行，理論上允許發(fā)射任何活動線程的指令組合來提高發(fā)射槽和執(zhí)行部件的利用率。MIT提出的Alewife價61處理器是Ts驅動的粗粒度多線程處理器。而Intel將sMT技術應用于Pentium4處理器，并稱之為超線程技術(HyPerthreading)價刀。超線程技術以5%的面積代價獲得超過15%.27%的性能增長。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TP368.11

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本文編號：2615105