應用定制的粗粒度可重構SoC設計方法研究.pdf

1、隨著VLSI制造工藝技術的迅速發(fā)展和SoC（System on a Chip）設計方法的不斷進步，各類嵌入式 SoC設備的應用功能不斷向多樣化的方向發(fā)展，需要更新的系統(tǒng)設計方法，以滿足日益增長的應用對系統(tǒng)性能的追求。面向應用領域的粗粒度可重構SoC設計方法，融合了可重構技術、可重構指令集處理器（RISP）和多核處理器 SoC（MPSoC）等多種設計方法，面向特定應用領域的程序特征進行系統(tǒng)性能的優(yōu)化，在確保性能的前提下，保持了可重構硬件靈

2、活可配置的特點，從而更有效地滿足嵌入式領域的不同應用要求。目前應用定制的粗粒度可重構SoC設計方法已成為可重構SoC領域的研究熱點與難點。
　　本文重點研究了粗粒度可重構SoC體系結構設計方法的多項關鍵技術，完成的主要工作和取得的創(chuàng)新性成果如下：
　?。?）基于體系結構模板的粗粒度可重構SoC設計方法
　　針對傳統(tǒng)的面向應用領域的多核 SoC體系結構設計方法探索空間大、設計復雜度高等問題，提出了一種基于模板的粗粒度可重

3、構SoC體系結構設計方法。體系結構模板分為多核 SoC系統(tǒng)結構模板和粗粒度可重構結構模板兩個層次進行構建和描述，既能反映應用計算模式特征，又能反映粗粒度可重構處理體系結構特征，并且參數(shù)可配置。將模板參數(shù)實例化，構建了面向密碼處理應用的多核可重構指令集處理器（Multi-RISP）SoC系統(tǒng)，該設計方法將RISP的設計空間探索限定在一定的范圍內，使得RISP在具有專用指令集處理器較強性能的同時也具有可重構技術靈活的編程特征。
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4、2）應用定制的可重構指令集處理器體系結構設計
　　對可重構體系結構進行應用定制是一種有效提升運算性能、提高運算資源利用效率的方法。本文研究了應用特征分析和功能單元的定制方法，提出了一種基于應用定制功能單元的可重構指令集處理器體系結構。該體系結構采用標準處理單元和應用定制處理單元協(xié)同處理的可重構流水線結構，可有效節(jié)省可重構硬件計算資源，提高流水線的運算速度。面向分組密碼處理完成了可重構指令集處理器（BCSRISP）的定制設計。實驗結

5、果表明，相比于只使用基本處理單元 SPE的情況，協(xié)同使用SPE和CFU進行密碼算法計算能獲得良好的加速效果。同時，為了避免電路版圖和半導體工藝等物理因素帶來的影響，本文采用功能單元的數(shù)量作為測度數(shù)據(jù)，分析了資源數(shù)量與性能加速比之間的關系。
　?。?） Multi-RISP SoC互連架構研究及無緩沖路由器（FBEA-BLESS）設計本文首先對系統(tǒng)結構模板中描述的多種互連策略進行對比分析，并結合應用
　　領域特點和設計復雜性等

6、約束條件，引入Mesh網(wǎng)絡和交叉開關這兩種片上網(wǎng)絡互連結構架構，完成了Multi-RISP SoC系統(tǒng)的互連架構設計。針對應用程序的特性和當前幾類基準無緩沖路由器設計中存在路由器延遲大、吞吐量不高、活鎖等問題，本文提出了一種基于編碼分配的支持報片交換的無緩沖路由器（FBEA-BLESS），減小了路由器的關鍵路徑延時，并由于采用了 Go-Stop-Steer（GOSS）機制，有效地避免了網(wǎng)絡活鎖現(xiàn)象的發(fā)生。RTL級代碼綜合結果和六種合成程

7、序的實驗結果表明，F(xiàn)BEA-BLESS在吞吐率、零負載延遲、工作頻率等指標上與BLESS-3等比較均有明顯地提升，非常適合在Multi-RISP SoC系統(tǒng)結構設計中選用。
　?。?） Multi-RISP SoC的層次化配置存儲器設計
　　配置信息的生成效率與質量直接影響著粗粒度可重構SoC結構的運行效果。傳統(tǒng)的方法將配置信息作為一個整體存儲器，每個處理單元在需要配置信息都要從該存儲器讀取配置信息，因而運行效率低下。本文為

8、面向密碼處理領域的粗粒度可重構SoC的配置信息生成方法設計了一種層次式的配置信息存儲器結構，實現(xiàn)了不同層次上的重構，將配置信息分為相互獨立的操作配置信息和互連配置信息存儲器兩部分，最后根據(jù)上下文優(yōu)化配置信息生成。實驗結果表明，在運行性能不變的情況下，本文的配置信息生成方法功耗可以減少23.7％~32.6%。對于不同的應用，當應用中互連狀態(tài)可以不重構時，配置信息中互連信息所占比例更大，因而會帶來更大的功耗改善。
　?。?）面向可視媒