基于異步映射的流水線替換策略研究.pdf

1、隨著對于速度和功耗的要求越來越高，高性能微處理器設計變得越來越復雜。例如，Intel的Itanium2處理器使用了2.2億個晶體管，包括11個功能部件，能夠同時發(fā)射和提交6條指令。工作負載也在不停地變化，從早期以科學計算為主到今天個人桌面應用、服務器事務處理、電子商務應用和各種嵌入式應用并存。為了保持市場競爭力，功耗、速度和成本成為微處理器設計的核心要素。 在這種背景下，基于全局時鐘的同步電路遇到了前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)，其先天的技

2、術特點使得其在速度和功耗的改進上的空間越來越小。相反地，異步電路具有低功耗、高性能等一系列相比同步電路的優(yōu)勢，但其極大的設計復雜度和異步資源的稀缺性嚴重影響了異步電路的設計和推廣。 本文以同步和異步設計相結合的思路，以流水線作為切入點和研究方向，提出了基于異步映射的異步流水線設計方法。它通過控制結構替換，將同步流水線的時鐘替換成異步控制的握手信號，流水線的其他部分保持不變，從而在提高性能和降低功耗的基礎上降低了異步流水線設計的難

3、度。本文主要的創(chuàng)新和貢獻之處包括： 1.提出了用于異步映射的自控式單元，然后提出基于自控式單元的流水線模型，并證明了異步映射能夠在保證流水線功能的前提下保證流水線的性能，對異步流水線的性能同時進行了描述和分析。 2.在異步映射方法的基礎上，三種類型流水線，即簡單結構流水線、復雜結構流水線和門控信號控制的流水線的替換策略被提出并進行研究，并對簡單結構流水線的異步映射自動化進行了嘗試。 3.為了實現異步替換，提出了基

4、于異步映射的流水線前端替換流程。前端流程最大的優(yōu)點為規(guī)避了異步綜合步驟，降低了設計者進行異步設計和門檻和復雜度。通過在前端設計的前半階段采用同步設計，而在同步網表上進行異步控制單元的替換，并利用同步綜合得到的時序約束進行延遲網絡的生成，降低了設計復雜度和異步設計的入門門檻。 4.簡單流水線的24位流水線、基于ARM指令集的超標量復雜流水線和門控信號控制的流水線分別被用前端替換流程實現，以此證明異步映射的可行性和可靠性。其中簡單流

5、水線重點在于檢驗基于自控式單元的異步映射方法和異步替換流程的正確性；復雜結構流水線的異步替換重點分析了異步映射下同異步流水線的性能變化；門控型號控制的流水線主要目的在于檢驗利用自控式單元替換了門控時鐘后的功耗情況。 5.異步流水線的后端實現一向是設計的難點所在，本文專門對此進行闡述，對一些關鍵點進行重點分析，并提出異步標準單元和異步處理器的物理實現流程。在此基礎上，24位簡單流水線結構的流水線被實現并進行了功耗分析。 采