發(fā)布時(shí)間：2020-10-31 04:52

　　 嵌入式微處理器在工業(yè)控制、通信、個(gè)人消費(fèi)和軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本論文研究了32位的MIPS微處理器體系結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一款與32位MIPS微處理器指令集完全兼容的嵌入式RISC微處理器,并具有低功耗和安全性的特點(diǎn)。本文主要完成的工作如下:首先介紹了微處理器體系結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵技術(shù),如并行技術(shù)、高速緩存技術(shù)和低功耗優(yōu)化技術(shù)。接著介紹了MIPS32~(TM)架構(gòu)的寄存器組織和指令集,以及軟件編譯流程。 然后提出了本文所設(shè)計(jì)的微處理器的整體結(jié)構(gòu),按照微處理器core設(shè)計(jì)和高速緩存(Cache)設(shè)計(jì)兩部分給出了MIPS微處理器的設(shè)計(jì)。 微處理器core采用了六級(jí)流水線的設(shè)計(jì),解決了傳統(tǒng)五級(jí)流水線的時(shí)序瓶頸,通過(guò)增加一級(jí)流水線RF使處理器的主頻得到了大幅提升。對(duì)于流水線設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的資源沖突、數(shù)據(jù)沖突、控制沖突均給出了相應(yīng)的解決措施。 分析了當(dāng)前微處理器面臨的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題,對(duì)高速緩存(Cache)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),使之可以有效地抵御旁路攻擊,同時(shí)功耗較低。對(duì)Cache的主要改進(jìn)為在一級(jí)Cache和主存之間增加了一級(jí)Small Cache,使得攻擊者無(wú)法獲取Cache和主存之間的映射關(guān)系,從而提高了數(shù)據(jù)的安全性。 最后,提出了微處理器的驗(yàn)證策略和驗(yàn)證方案,對(duì)微處理器進(jìn)行了從軟件仿真到硬件驗(yàn)證的全面驗(yàn)證,保證了其功能的正確性。 針對(duì)嵌入式微處理器的高性能、低功耗、安全性等要求,本文對(duì)微處理器設(shè)計(jì)的流水線技術(shù)和高速緩存技術(shù)進(jìn)行了有益的探索,提出了一些改進(jìn)措施,基本達(dá)到了預(yù)期目的。用Synplify Pro 7.7綜合,在Xilinx Spartan-3 XC3S2000 FPGA平臺(tái)上,微處理器core的最高頻率為111MHz,整個(gè)系統(tǒng)的最高頻率為53.6 MHz。
【學(xué)位單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2010
【中圖分類(lèi)】：TP332
【部分圖文】：

相互影響，處理器體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)微處理器的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，并的功耗問(wèn)題和數(shù)據(jù)安全問(wèn)題予以描述，同時(shí)介方案，為下文做鋪墊。曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，微處理器可以分為兩類(lèi)：馮 諾伊曼德國(guó)科學(xué)家馮 諾伊曼提出了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部伊曼結(jié)構(gòu)中程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一間，指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)用單一的地址及數(shù)據(jù)總線。處理器執(zhí)行指令時(shí)再取操作數(shù)執(zhí)行運(yùn)算，即使單條指令也要耗費(fèi)時(shí)，在傳輸通道上會(huì)出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)[9]。

圖 2.2 哈佛結(jié)構(gòu)原理圖性能的通用處理器（如 Intel x86 系列）大多采司和 MIPS 公司的系列芯片均采用哈佛結(jié)構(gòu)。計(jì)的 MIPS 微處理器采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，指令入式應(yīng)用。 RISC的指令集架構(gòu)一般分為兩種：復(fù)雜指令集運(yùn)算（g，CISC）和精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算（Reduced Instructi算機(jī)部件比較昂貴，主頻低，運(yùn)算速度慢，所以，每個(gè)指令可執(zhí)行多個(gè)操作，如計(jì)算和讀寫(xiě)數(shù)令完成所需的任務(wù)，同時(shí)簡(jiǎn)化了編譯器的設(shè)計(jì)尋址模式復(fù)雜多樣，增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度

10相關(guān)映射的例子，圖中 Set 的位數(shù)比直接映射時(shí)減少，所以圖 2.5 和圖 2.6 中 Cache 的大小是一樣的。它 Cache 兩組中的任一行，當(dāng)發(fā)生缺失時(shí)需要一種替哪一個(gè)將被替換，常用的有最近最少使用者被替換（。圖 2.7 全相關(guān)映射[12]
【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 賈玉平;機(jī)場(chǎng)車(chē)輛調(diào)度智能終端的研究與實(shí)現(xiàn)[D];南京航空航天大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2863471