高性能嵌入式媒體微處理器IP核設(shè)計研究.pdf

1、集成電路工藝的發(fā)展使得將系統(tǒng)集成在一塊芯片中實現(xiàn)成為可能，芯片設(shè)計進(jìn)入系統(tǒng)芯片(SoC)時代。針對嵌入式SoC應(yīng)用中媒體處理應(yīng)用的需求，嵌入式媒體處理器通過在嵌入式處理器上增強(qiáng)媒體處理性能可以大大加快嵌入式媒體SoC系統(tǒng)的開發(fā)速度，降低設(shè)計成本和系統(tǒng)成本，因此其IP核的設(shè)計與研究已經(jīng)引起業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。本文作者參與了浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系SoCR&D小組承擔(dān)的國家863超大規(guī)模集成電路設(shè)計重大項目和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多媒體

2、系統(tǒng)集成芯片——MediaSoC設(shè)計和研發(fā)工作。本文將主要探討集成于MediaSoC中的嵌入式媒體處理器IP核RISC32的設(shè)計研究。 本文共分為四章，第一章主要討論了現(xiàn)有媒體處理器結(jié)構(gòu)的分類和研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)闡述了嵌入式媒體處理器IP核的研究意義；第二、三、四章為全文主體，主要探討RISC32處理器設(shè)計中三個關(guān)鍵問題包括多媒體指令集擴(kuò)展設(shè)計、流水線微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及使RISC32成為一個真正IP核的其他相關(guān)設(shè)計問題。本文主要內(nèi)

3、容與創(chuàng)新點如下： 本文在分析多媒體算法的基礎(chǔ)上，討論了在兼容MIPS-I指令體系的單處理器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行媒體增強(qiáng)擴(kuò)展以增強(qiáng)其媒體處理性能的問題。隨后，本文重點提出了一套基于標(biāo)準(zhǔn)單元的數(shù)據(jù)通路設(shè)計和優(yōu)化方法，并以多媒體執(zhí)行單元中分裂式媒體ALU和乘累加MAC單元的設(shè)計為例論證所提出方法的優(yōu)越性和可行性。 為了實現(xiàn)整個RISC+SIMD流水線的控制，本文提出了一種基于有限狀態(tài)機(jī)(FSM)的流水線控制策略和一種“可伸縮”的多媒體執(zhí)

4、行單元的控制結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，為了提高處理器頻率，本文通過對流水線狀態(tài)機(jī)邏輯的分析，提出一種將單一集中式控制狀態(tài)機(jī)分解成多個部分控制狀態(tài)機(jī)的設(shè)計，實驗證明該設(shè)計可以有效地減小流水線控制信號引起的關(guān)鍵時延。 本文提出一種通過動態(tài)仿真形式確定的具有最優(yōu)性價比的動態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測結(jié)構(gòu)。實驗證明，本文提出的動態(tài)預(yù)測結(jié)構(gòu)可以在不影響RISC32頻率的前提下有效解決RISC32流水線的控制競爭問題，減小處理器CPI值，同時可以消除應(yīng)用程序因為轉(zhuǎn)移

5、延時槽指令不能有效調(diào)度而插入的空操作指令。 本文結(jié)合作者在雙核媒體系統(tǒng)集成芯片MediaSoC設(shè)計開發(fā)的實際工作，討論了將RISC32處理器IP核融入多媒體系統(tǒng)集成芯片的其他相關(guān)設(shè)計問題。 本文的各種設(shè)計思想被成功地應(yīng)用到RISC32的開發(fā)中。RISC32處理器作為雙核之一，被集成到本研究所自主開發(fā)的基于0.18μm工藝的媒體系統(tǒng)集成芯片MediaSoC中。根據(jù)MediaSoC芯片的成功設(shè)計經(jīng)驗，基于處理器IP核的媒體系