多核處理器關(guān)鍵技術(shù)研究——單核及核間通訊的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著通信和多媒體領(lǐng)域應(yīng)用變得越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的基于集成電路(ASIC)的解決方案由于研發(fā)成本高，靈活性差，顯得越來(lái)越不適用。取而代之的，以處理器，特別是多核處理器，為核心的系統(tǒng)正逐漸成為焦點(diǎn)。處理器具有良好的可編程性和靈活性。相比與設(shè)計(jì)一款A(yù)SIC芯片，基于處理器的系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本非常低。但這目前處理器的功耗和性能仍然很難與ASIC相比，往往不能滿足當(dāng)今應(yīng)用的需求。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文面向通信和多媒體這兩個(gè)特定領(lǐng)域，對(duì)多核處理器

2、進(jìn)行優(yōu)化，研究了多核處理器設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些關(guān)鍵技術(shù)，力求縮小多核處理器與傳統(tǒng)ASIC之間的差距，設(shè)計(jì)一款高性能低功耗的多核處理器芯片。本文的主要工作如下:
　　1.簇狀多核處理器的整體架構(gòu)
　　本文所設(shè)計(jì)的處理器采用了簇狀架構(gòu)。同一個(gè)簇內(nèi)的處理器聯(lián)系非常緊密，他們之間可以進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)通信，并共享有存儲(chǔ)器，運(yùn)算單元等資源。雖然所有的處理器核是同構(gòu)的，但簇與簇之間的功能有所不同，有的簇含有較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而其他簇則含有針對(duì)通

3、信和多媒體的加速單元。每個(gè)簇都含有自己獨(dú)立的時(shí)鐘源，各個(gè)簇可根據(jù)其工作量選擇不同的工作頻率。
　　2.SIMD指令集擴(kuò)展及流水線優(yōu)化
　　本文在兼容MIPS常用指令的基礎(chǔ)上進(jìn)行了指令集的優(yōu)化，增加了豐富的SIMD指令，這些SIMD指令極大地增強(qiáng)了處理器核的并行處理器能力。此外，針對(duì)處理器核的一些硬件特性也增加了相應(yīng)的特殊指令，方便對(duì)相應(yīng)硬件模塊的訪問(wèn)，如check，regconfig等。同時(shí)，由于SIMD指令的位寬非常靈活，

4、還相應(yīng)地對(duì)流水線作了優(yōu)化，主要包括對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算通路進(jìn)行細(xì)分，設(shè)計(jì)多位寬的旁路通路等。
　　3.多頁(yè)式前后臺(tái)寄存器堆
　　本文提出了多頁(yè)式前后臺(tái)寄存器堆的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在寄存器尋址位寬不變的情況下，將寄存器的容量擴(kuò)大了3倍。在同一時(shí)刻，只有32個(gè)寄存器可以被處理器核的流水線訪問(wèn)，這些寄存器被稱為前臺(tái)寄存器，而其他的寄存器被稱為后臺(tái)寄存器。流水線在處理前臺(tái)寄存器中的數(shù)據(jù)時(shí)，后臺(tái)寄存器可以通過(guò)DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)取或者結(jié)果的寫(xiě)回。這樣大

5、部分訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令都可以用后臺(tái)數(shù)據(jù)搬移來(lái)取代。此外，許多特殊功能也直接映射在了寄存器堆中，從而可以方便快速地訪問(wèn)。
　　4.全局片上網(wǎng)絡(luò)局部共享存儲(chǔ)器的通信策略
　　本文設(shè)計(jì)的處理器中，采用了全局片上網(wǎng)絡(luò)互連，局部共享存儲(chǔ)器的通信策略，同時(shí)支持這兩種通信模式?；诠蚕泶鎯?chǔ)器的核間通信最大的好處就是容易使用、編程簡(jiǎn)單。而基于片上網(wǎng)絡(luò)的核間通信則具有良好的擴(kuò)展性和靈活性。使程序在不同的場(chǎng)合可以使用不同的通信方案，從而提升了其整

6、體性能。
　　5.融合包交換和鏈路交換的雙層片上網(wǎng)絡(luò)
　　本處理器中還對(duì)傳統(tǒng)的片上網(wǎng)絡(luò)做了優(yōu)化，將傳統(tǒng)的包交換網(wǎng)絡(luò)與鏈路交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了融合，通過(guò)發(fā)送鏈路配置包的方式來(lái)打通鏈路網(wǎng)絡(luò)中的通信路徑，既兼顧了靈活性又大大提高通信的能量效率。處理器核可以十分方便地訪問(wèn)片上網(wǎng)絡(luò)，而且此網(wǎng)絡(luò)還支持后臺(tái)數(shù)據(jù)搬移，可以直接通過(guò)DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
　　6.芯片實(shí)現(xiàn)與測(cè)試
　　本文完成了多核處理器的硬件設(shè)計(jì)后，還進(jìn)一步完成了芯片的后