媒體多處理器系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)研究.pdf

1、芯片設(shè)計(jì)技術(shù)和深亞微米工藝的進(jìn)步使得系統(tǒng)集成在一塊芯片中實(shí)現(xiàn)成為可能，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入片上系統(tǒng)芯片時(shí)代。同時(shí)，多媒體技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)提出更高的處理能力需求。多處理器系統(tǒng)芯片以其強(qiáng)大的處理能力、良好的靈活性等優(yōu)點(diǎn)成為媒體處理解決方案的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 本文作者參與了浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系SoC R&D小組承擔(dān)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的媒體系統(tǒng)芯片MediaSOC3221A和高性能多模式處理器RISC3202的研發(fā)工作。本文作為部

2、分研究成果，著重探討了媒體多處理器系統(tǒng)芯片中的數(shù)據(jù)搬運(yùn)機(jī)制設(shè)計(jì)、多模式處理器核微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及音視頻同步和系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度等問(wèn)題。 媒體處理是一種高寬帶流量的數(shù)據(jù)流處理，系統(tǒng)不僅需要有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，同時(shí)需要高效的數(shù)據(jù)搬運(yùn)機(jī)制。DMA技術(shù)能有效地解決數(shù)據(jù)搬運(yùn)問(wèn)題，被廣泛應(yīng)用并有大量研究成果，但媒體多處理器系統(tǒng)芯片高復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)DMA數(shù)據(jù)搬運(yùn)機(jī)制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)。本文分析了媒體數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)特點(diǎn)，闡述了面向媒體數(shù)據(jù)搬運(yùn)的基

3、于任務(wù)鏈表的二維DMA機(jī)制；針對(duì)基于片上總線的多處理系統(tǒng)芯片的特點(diǎn)，提出了集中式DMA控制器的設(shè)計(jì)方法；針對(duì)基于片上網(wǎng)絡(luò)的媒體多處理器系統(tǒng)芯片的特點(diǎn)，提出了分散式DMA控制器的設(shè)計(jì)方法；分析了DMA控制器中的亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，提出了異步電路的前端設(shè)計(jì)方法；最后實(shí)驗(yàn)表明，二維DMA機(jī)制能大大提高媒體系統(tǒng)芯片的性能。 處理器是嵌入式媒體多處理器系統(tǒng)芯片的核心處理單元。目前嵌入式媒體應(yīng)用范圍比較廣泛，不同的應(yīng)用具有不同的特點(diǎn)，對(duì)處理器性能要

4、求也不一樣。本文在本課題組自主設(shè)計(jì)并通過(guò)驗(yàn)證的32位單發(fā)射處理器RISC3201的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了滿足多種應(yīng)用特點(diǎn)的多模式處理器RISC3202。RISC3202可以在3種模式下運(yùn)行：雙發(fā)射模式、雙核模式和雙線程模式。在RISC3202的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用IP復(fù)用的設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了多模式在微結(jié)構(gòu)上的融合；分析了流水線中的結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)、數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和控制競(jìng)爭(zhēng)，并提出了相應(yīng)的解決措施；提出了基于有限狀態(tài)機(jī)的集中式流水線控制策略；實(shí)現(xiàn)了雙線程模式下低開銷

5、的線程硬切換；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相對(duì)于RISC3201，RISC3202在流水線面積增加105％的同時(shí)，性能可提高70～80％。 結(jié)合異構(gòu)多處理器音視頻解碼系統(tǒng)芯片MediaSOC3221A的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，提出了基于反饋機(jī)制的全數(shù)字音視頻同步的實(shí)現(xiàn)方案：利用系統(tǒng)的反饋信息實(shí)時(shí)地調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和音頻播放頻率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的精確恢復(fù)和音頻的同步，利用調(diào)整視頻幀的播放實(shí)現(xiàn)視頻同步；為了減少多處理器媒體系統(tǒng)芯片總線任務(wù)調(diào)度過(guò)程中的處理器性能