【摘要】： 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展,微處理器芯片的發(fā)展遇到了很多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。其中,功耗成為處理器設(shè)計(jì)的重要限制因素。特別是對(duì)于嵌入式處理器,由于體積、電池容量和便攜性等原因,功耗問(wèn)題尤為突出。并且隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,嵌入式處理器上的應(yīng)用日益豐富。多媒體、娛樂(lè)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽等原本桌面上的應(yīng)用逐漸在嵌入式系統(tǒng)上普及,對(duì)嵌入式處理器的性能提出了更高的要求。也就是說(shuō),研究人員需要在功耗受限的情況下進(jìn)行高性能嵌入式處理器的設(shè)計(jì)。 本文圍繞高性能嵌入式處理器的功耗問(wèn)題,開(kāi)展了深入的研究,主要涉及功耗評(píng)估技術(shù)、嵌入式處理器結(jié)構(gòu)級(jí)低功耗優(yōu)化技術(shù)和異構(gòu)處理器的功耗有效性三個(gè)方面。 本文的主要貢獻(xiàn)如下: 1.提出了一個(gè)快速準(zhǔn)確的處理器功耗評(píng)估方法。這一方法基于微處理器的RTL代碼,采用EDA工具和標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)獲取處理器基本模塊的有關(guān)功耗數(shù)據(jù),同時(shí)在FPGA平臺(tái)上獲取模塊的訪問(wèn)統(tǒng)計(jì)信息,通過(guò)以上信息可以計(jì)算出處理器運(yùn)行過(guò)程中的功耗。通過(guò)和EDA功耗分析工具得到的功耗結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。最后采用該方法在FPGA上對(duì)大量程序的功耗進(jìn)行了分析。該方法還可以動(dòng)態(tài)記錄處理器的功耗變化情況。本方法的速度比結(jié)構(gòu)級(jí)功耗模擬器和門(mén)級(jí)網(wǎng)表功耗分析方法要快,并且具有門(mén)級(jí)網(wǎng)表級(jí)的準(zhǔn)確度,為處理器的低功耗設(shè)計(jì)提供了快速、高效、準(zhǔn)確的研究平臺(tái)。 2.提出了基于延遲寫(xiě)回的嵌入式處理器設(shè)計(jì)。本文以低功耗嵌入式處理器為設(shè)計(jì)目標(biāo),在龍芯GS232處理器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了寄存器堆延遲寫(xiě)回技術(shù),降低了處理器中寄存器堆的功耗。為了進(jìn)一步提高效果,采用了限制取指技術(shù),使得寄存器堆功耗降低效果更加明顯,同時(shí)也降低了指令Cache的功耗,并且采用前面提出的功耗評(píng)估方法對(duì)功耗進(jìn)行了量化分析。 3.提出了異構(gòu)處理器功耗分析模型。運(yùn)行同一個(gè)程序,小的處理器核相比大核可以節(jié)約能量,這主要是由下面兩個(gè)原因?qū)е?1)漏電功耗的比例隨著制造工藝的進(jìn)步越來(lái)越高,處理器即使在空閑狀態(tài)下也會(huì)消耗大量的能量;2)小的處理器核有比大的處理器核更高的性能功耗比。因此采用異構(gòu)處理器,使得對(duì)性能要求不高的程序運(yùn)行在小核上可以節(jié)省大量的能量。本文采用泊松過(guò)程來(lái)模擬程序的運(yùn)行行為,并且采用實(shí)際程序的功耗記錄進(jìn)行模擬,模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明異構(gòu)處理器可以有效地節(jié)省能量。 針對(duì)高性能嵌入式處理器的設(shè)計(jì),本文在相關(guān)的低功耗研究上取得了一系列有意義的成果,在龍芯GS232處理器的設(shè)計(jì)中起到了很好的作用,也為將來(lái)異構(gòu)嵌入式處理器的設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。
【圖文】：

滬產(chǎn)_ 197819801982198419861988199019921994199619982000200220042006圖1一l單核處理器的性能提升曲線類似地，在嵌入式領(lǐng)域，嵌入式處理器不可能像通用處理器那樣采用各種方法來(lái)提高指令集并行性，因?yàn)檫@會(huì)增加處理器的功耗，，使得性能功耗比降低。并且通用處理器領(lǐng)域的發(fā)展歷程也表明這條路線行不通，因此嵌入式處理器也開(kāi)始采用多核設(shè)計(jì)方法。處理器在步入多核時(shí)代的同時(shí)仍然面臨著很多難題，其中功耗和能源的限制是影響并制約處理器發(fā)展的主要因素(Mudge，2001)。處理器制造工藝的進(jìn)步使得每個(gè)晶體管的功耗得以降低，但是由于片內(nèi)集成了越來(lái)越多的晶體管資源，因而整個(gè)芯片的總功耗并沒(méi)有降低。圖1一2給出了一些典型處理器的功耗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)處理器的功耗在不斷增長(zhǎng)后維持在了一個(gè)較高的水平上。如果處理器的功耗繼續(xù)升高的話

性能的提升。早期的手機(jī)只能用來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音通話，而現(xiàn)在的智能手機(jī)己經(jīng)具有豐富的多媒體、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、游戲等功能，這些應(yīng)用需要性能強(qiáng)大的處理器作為支撐。圖1一3(ZelosGro叩，2004)給出了近年來(lái)手持設(shè)備的出貨數(shù)量和增長(zhǎng)速度，可以看到其中智能手機(jī) (Full一 FeatureHandscts)所占的百分比在逐年增長(zhǎng)，2008年己經(jīng)達(dá)到42.5%，按照這個(gè)趨勢(shì)到20巧年智能手機(jī)將會(huì)占有所有手持設(shè)備市場(chǎng)�？谶拄醦m翻匕剛·佃晚助淚勸n仙確叨曲仙門(mén)燦n仙跪口n.介叨 0000000，口心口七曰 432山占口盆13一一30甘10﨑0一工內(nèi)‘眾2003加042以抖2加5200720叱二比5%一Inc不國(guó)創(chuàng)日日川SetF以卜F的加了.Hp白陀冶川明eF訓(xùn)623.8陽(yáng)7 30460.2丘日%12.2%610.3131r62，.右%652.7發(fā)18洲創(chuàng)么Sou『ce:Z以 05GfouP，圖1一3手持設(shè)備的出貨量目前在32位嵌入式微處理器IP市場(chǎng)上出現(xiàn)了一家獨(dú)大的局面
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TP332

【共引文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 胡偉武;張福新;李祖松;;龍芯2號(hào)處理器設(shè)計(jì)和性能分析[J];計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展;2006年06期

2 汪冬,唐志敏;Smith-Waterman算法在脈動(dòng)陣列上的實(shí)現(xiàn)及分析[J];計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào);2004年01期

3 范東睿;黃海林;唐志敏;;嵌入式處理器TLB設(shè)計(jì)方法研究[J];計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào);2006年01期

4 李文,魏鳳歧,武健剛;用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)CPU基本流水線[J];內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年03期

5 高翔;張福新;湯彥;章隆兵;胡偉武;唐志敏;;基于龍芯CPU的多核全系統(tǒng)模擬器SimOS-Goodson[J];軟件學(xué)報(bào);2007年04期

6 嚴(yán)偉,龔幼民;數(shù)字信號(hào)處理器綜合測(cè)試方案[J];上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 嚴(yán)偉;面向電機(jī)控制數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)和測(cè)試研究[D];上海大學(xué);2004年

2 李祖松;龍芯2號(hào)處理器多線程技術(shù)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）;2006年

3 郇丹丹;高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）;2006年

4 黃海林;高可靠處理器體系結(jié)構(gòu)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）;2006年

5 張戈;高性能通用處理器核的低功耗技術(shù)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）;2006年

6 徐勇軍;集成電路功耗估計(jì)及低功耗設(shè)計(jì)[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）;2006年

7 范東睿;低功耗嵌入式處理器設(shè)計(jì)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）;2005年

8 韓銀和;數(shù)字電路測(cè)試壓縮方法研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）;2005年

9 張福新;微處理器性能分析與優(yōu)化[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）;2005年

10 楊華;片上多線程體系結(jié)構(gòu)資源分配策略的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 仲林國(guó);基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)研究[D];浙江大學(xué);2005年

2 韓鵬;基于ARM-LINUX的路由器研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2005年

3 張魯;基于嵌入式ARM的視頻以太網(wǎng)服務(wù)器的設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工程大學(xué);2005年

4 戴曦;X通用微處理器指令控制部件的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2004年

5 鄒之霽;基于顯式授權(quán)方法的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2004年

6 汪泓澄;嵌入式系統(tǒng)的性能基準(zhǔn)程序及任務(wù)時(shí)限違背率[D];同濟(jì)大學(xué);2006年

7 田芳芳;多機(jī)系統(tǒng)下數(shù)據(jù)Cache的設(shè)計(jì)[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

8 靳戰(zhàn)鵬;高速浮點(diǎn)加法運(yùn)算單元的研究與實(shí)現(xiàn)[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

9 盧紅占;CISC微處理器存儲(chǔ)管理單元的研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

10 湯彥;片上內(nèi)存控制器性能評(píng)估和優(yōu)化[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）;2006年

本文編號(hào)：2691911