低功耗微處理器體系結構的研究與設計

發(fā)布時間：2020-07-16 10:28

【摘要】： 隨著集成電路制造技術的不斷提高，芯片的集成度和速度也不斷提高，同時伴隨著移動設備需求的不斷增加，電路的功耗已經(jīng)成為繼速度、面積、可測性之后電路設計者必須考慮的因素。處理器作為代表數(shù)字集成電路設計的最高水平是構建電子系統(tǒng)必不可少的核心部件，因此低功耗處理器體系結構的研究已經(jīng)成為處理器設計的一個重要研究方向。本文在詳細分析了CMOS數(shù)字電路的功耗模型的基礎上，進一步探討了各種層次低功耗設計手段的方法和效率以及采用綜合技術的低功耗設計流程，并最終結合作者在航空微電子中心設計的具有自主版權的16位CISC處理器NCS2000進行了各種低功耗設計方法的研究，其中許多算法和方法都是首次提出的。在本文中研究的處理器部件主要包括譯碼器、微程序部件和運算器，同時針對數(shù)字電路中最通用的控制電路有限狀態(tài)機的低功耗設計進行了研究和具體設計。通過研究和具體的方案實現(xiàn)，證明合理地使用低功耗設計手段對于降低處理器的功耗是非常有效的，采用這種方式進行處理器的低功耗研究是非常有希望的發(fā)展方向。本文的主要貢獻有： 1、論文作者完成了16位微處理器NCS2000的研究和設計，采用自頂向下的全正向設計技術在國內首次設計并實現(xiàn)了與80286在指令及時序上兼容的微處理器設計，并完成了FPGA驗證，該微處理器核具有完全的自主版權，并在此基礎上進行了低功耗處理器研究和設計。 2、本文對多種層次的低功耗設計方法進行了分析，并對各種方法的效果進行了評估，針對目前功耗優(yōu)化工具最常采用的門控時鐘方法，首次提出了時鐘平衡單元和內嵌門控時鐘單元的概念，對于簡化門控時鐘電路的綜合、降低時鐘偏斜和提高可測性具有重要的意義。 3、針對指令長度變化較大的不規(guī)整譯碼器，提出了精確訪問控制的概念。這種方法是操作數(shù)隔離辦法的一個延伸，非常適用于對整個電路中部分電路進行訪問的情況，可以應用于諸如寄存器堆訪問等類型的操作上。 4、針對微程序部件擴展了ROM分區(qū)的設計思想。首次提出了ROM優(yōu)化編碼的思想，這種思想在國內外各種參考文獻和研究報告中都沒有提到過，對于采用微程序思想的CISC處理器具有重要意義。 5、對處理器數(shù)據(jù)通路中最重要的兩個部件：加法器和移位寄存器進行了低功耗研究，研究了合理選擇加法器和移位寄存器的方法。針對動態(tài)操作數(shù)交換提出了采用符號跳變作為交換邏輯的方法，該方法在增加較少硬件電路的情況下，就可以達到很好的低功耗效果。摘要 6、對數(shù)字電路中最常見的控制邏輯有限狀態(tài)機進行了各種低功耗設計方法的研究，并對狀態(tài)分解法進行了詳細的分析和驗證，并在國內首次開展了有限狀態(tài)機功耗優(yōu)化軟件的研究，為進一步開展低功耗EDA軟件的研究打下了一定基礎。本論文的研究工作部分結合九五預研課題“軍用MPU、MCU技術”進行，其研究成果對于今后進一步研制和開發(fā)具有自主版權的低功耗微處理器具有重要意義。
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2002
【分類號】：TP332
【圖文】：

工藝,產(chǎn)量,電場,芯片

第一章緒論圖1一1是IBS在2000年7月份對近幾年來芯片生產(chǎn)采用工藝的統(tǒng)計和對未來幾年的估計，可以看出芯片加工的主流工藝將越來越窄。圖1一1芯片生產(chǎn)工藝對應產(chǎn)量的統(tǒng)計和預期隨著芯片面積呈幾何指數(shù)的增加，芯片內部的電場效應將越發(fā)明顯，為了避免微小器件內的這種電場效應，同時也為了防止芯片過熱，芯片的工作電壓也會進一步下降，預計到2007年，芯片的工作電壓可以降低到0.9V。半導體工藝的飛速發(fā)展帶來了芯片密度的增加、電路工作速度的提高，但這這些因素使得集成電路功耗的明顯增加，因此芯片的散熱措施也不斷更新，從改變封裝形式到添加散熱裝置

價格比較,封裝形式