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“银河飞腾”DSP的ALU单元全定制设计优化

作　者: 李兆亮
导　师: 刑座程
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 软件工程
关键词: 银河飞腾数据通路全定制加法器桶形移位器 FPGA 测试视图
分类号: TP368.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 91次
引　用: 1次
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内容摘要

运算部件作为数据通路的重要组成部分,是数字信号处理器的核心,对芯片的性能、面积和功耗都有很重要的影响。本文的主要目的就是探讨如何对运算部件进行优化设计。在“银河飞腾”DSP芯片中,针对ALU运算单元的定点和浮点指令的运算过程,提出以下优化方案,对其第一站的一个41位加法器、第二站的一个56位移位器和第三站的一个56位移位器采用全定制方法设计。在41位加法器设计中,研究了各种快速加法器的算法,采用速度最快的K-S算法进行全定制逻辑设计和版图设计。对版图提取寄生参数网表通过SPICE模拟结果表明,典型条件下,关键路径延迟0.955ns,面积12280μm~2。在56位桶形移位器设计中,在比较了各种译码移位方式之后,采用了速度较快,传输较稳定的2级3-8混合译码的结构。采用单传输管作为移位阵列,无源阵列大幅度节省了功耗。对版图提取寄生参数网表通过SPICE模拟结果表明,典型条件下,关键路径延迟(译码到数据输出)0.734ns,面积8152μm~2。本文还针对两个全定制设计模块提出完整的流片测试方案,采用扫描测试的方法借助FPGA-PCB板,使用最小的硬件成本进行功能和性能上的测试。此外还对全定制模块建立视图,嵌入到ALU运算单元中进行综合并且进行物理设计。采用了全定制模块设计在三个流水站上的时序都有0.3ns左右的提高,很好地达到了优化目的。设计过程表明,采用全定制和半定制相结合的设计比单纯的半定制设计在时序、面积和功耗上都有明显的改进。

全文目录

摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章绪论  13-18
  1.1 数字信号处理器概述  13-14
    1.1.1 DSP芯片的特点  13-14
    1.1.2 DSP芯片的应用及发展  14
  1.2 DSP运算部件发展  14-15
  1.3 课题来源、目的及意义  15-16
  1.4 本文的主要研究  16
  1.5 本文的组织结构  16-18
第二章 YHFT-DSP的数据通路分析及优化途径  18-23
  2.1 YHFT-DSP的体系结构  18
  2.2 YHFT-DSP的数据通路  18-20
  2.3 ALU单元的分析及优化途径  20-22
  2.4 小结  22-23
第三章全定制模块的逻辑设计和验证  23-39
  3.1 41位加法器逻辑设计  23-31
    3.1.1 加法器算法研究  23-27
    3.1.2 本设计目标  27
    3.1.3 加法器逻辑结构详细设计  27-31
  3.2 56位桶形移位器逻辑设计  31-35
    3.2.1 移位器概述和实现方式  31-32
    3.2.2 本设计目标  32
    3.2.3 移位器逻辑结构详细设计  32-35
  3.3 模拟验证  35-38
    3.3.1 功能验证  35-37
    3.3.2 优化和模拟  37-38
    3.3.3 性能分析  38
  3.4 小结  38-39
第四章全定制模块的版图设计和性能分析  39-50
  4.1 版图设计流程  39-40
  4.2 全定制模块的版图设计  40-43
    4.2.1 加法器版图  41-42
    4.2.2 移位器版图  42-43
  4.3 版图的验证  43-44
  4.4 版图的模拟  44-45
  4.5 版图设计和逻辑设计的迭代  45-47
  4.6 版图后的性能分析  47-48
    4.6.1 加法器版图后性能分析  47-48
    4.6.2 移位器版图后性能分析  48
  4.7 不同工艺之间版图移植  48-49
  4.8 小结  49-50
第五章全定制模块视图建立和流片测试方案  50-61
  5.1 视图的要求和意义  50
  5.2 模块视图建立  50-53
  5.3 测试方案  53-60
    5.3.1 测试目标和解决方案  53-54
    5.3.2 测试电路逻辑及版图设计  54-56
    5.3.3 带测试电路和输入输出PAD进行功能验证和模拟  56-57
    5.3.4 芯片封装和FPGA测试方法  57-59
    5.3.5 测试结果  59-60
  5.4 小结  60-61
第六章全定制模块的使用  61-73
  6.1 ALU单元代码修改及验证  61
  6.2 逻辑综合  61-64
    6.2.1 逻辑综合概述  61-62
    6.2.2 综合策略和内容  62
    6.2.3 约束信息定义  62-63
    6.2.4 综合结果  63-64
  6.3 物理设计  64-68
    6.3.1 物理设计概述  64-65
    6.3.2 全定制参考库准备  65-66
    6.3.3 布局规划  66-67
    6.3.4 物理设计结果  67-68
  6.4 全定制和半定制相结合的设计方法总括及延伸  68-72
  6.5 小结  72-73
第七章结束语  73-75
  7.1 工作总结  73-74
  7.2 工作展望  74-75
致谢  75-76
作者在学期间取得的学术成果  76-77
参考文献  77-79
附录A 测试平台  79

“银河飞腾”DSP的ALU单元全定制设计优化

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