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低功耗微处理器体系结构的研究与设计

作　者: 杨波
导　师: 高德远
学　校: 西北工业大学
专　业: 计算机应用
关键词: 微处理器 计算机系统结构 低功耗 PDP 设计层次 有效翻转次数 测试基准程序 使能
分类号: TP332
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
下　载: 731次
引　用: 14次
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内容摘要


随着集成电路制造技术的不断提高，芯片的集成度和速度也不断提高，同时伴随着移动设备需求的不断增加，电路的功耗已经成为继速度、面积、可测性之后电路设计者必须考虑的因素。处理器作为代表数字集成电路设计的最高水平是构建电子系统必不可少的核心部件，因此低功耗处理器体系结构的研究已经成为处理器设计的一个重要研究方向。 本文在详细分析了CMOS数字电路的功耗模型的基础上，进一步探讨了各种层次低功耗设计手段的方法和效率以及采用综合技术的低功耗设计流程，并最终结合作者在航空微电子中心设计的具有自主版权的16位CISC处理器NCS2000进行了各种低功耗设计方法的研究，其中许多算法和方法都是首次提出的。在本文中研究的处理器部件主要包括译码器、微程序部件和运算器，同时针对数字电路中最通用的控制电路有限状态机的低功耗设计进行了研究和具体设计。通过研究和具体的方案实现，证明合理地使用低功耗设计手段对于降低处理器的功耗是非常有效的，采用这种方式进行处理器的低功耗研究是非常有希望的发展方向。本文的主要贡献有： 1、论文作者完成了16位微处理器NCS2000的研究和设计，采用自顶向下的全正向设计技术在国内首次设计并实现了与80286在指令及时序上兼容的微处理器设计，并完成了FPGA验证，该微处理器核具有完全的自主版权，并在此基础上进行了低功耗处理器研究和设计。 2、本文对多种层次的低功耗设计方法进行了分析，并对各种方法的效果进行了评估，针对目前功耗优化工具最常采用的门控时钟方法，首次提出了时钟平衡单元和内嵌门控时钟单元的概念，对于简化门控时钟电路的综合、降低时钟偏斜和提高可测性具有重要的意义。 3、针对指令长度变化较大的不规整译码器，提出了精确访问控制的概念。这种方法是操作数隔离办法的一个延伸，非常适用于对整个电路中部分电路进行访问的情况，可以应用于诸如寄存器堆访问等类型的操作上。 4、针对微程序部件扩展了ROM分区的设计思想。首次提出了ROM优化编码的思想，这种思想在国内外各种参考文献和研究报告中都没有提到过，对于采用微程序思想的CISC处理器具有重要意义。 5、对处理器数据通路中最重要的两个部件：加法器和移位寄存器进行了低功耗研究，研究了合理选择加法器和移位寄存器的方法。针对动态操作数交换提出了采用符号跳变作为交换逻辑的方法，该方法在增加较少硬件电路的情况下，就可以达到很好的低功耗效果。 摘要 6、对数字电路中最常见的控制逻辑有限状态机进行了各种低功耗设计方法 的研究，并对状态分解法进行了详细的分析和验证，并在国内首次开展 了有限状态机功耗优化软件的研究，为进一步开展低功耗EDA软件的 研究打下了一定基础。 本论文的研究工作部分结合九五预研课题“军用MPU、MCU技术”进行， 其研究成果对于今后进一步研制和开发具有自主版权的低功耗微处理器具有重 要意义。

全文目录


第一章 绪论  11-18
  1．1． 课题的背景和意义  11-14
  1．2． 低功耗设计研究的现状  14-16
  1．3． 研究内容和创新点概要  16-17
  1．4． 论文结构  17-18
第二章 低功耗设计综述  18-28
  2．1． CMOS电路的功耗模型  18-20
  2．2． 功耗估计的基本模型  20-21
  2．3． EnergyEfficiency的度量标准  21-26
    2．3．1． EDP  22
    2．3．2． PDP  22-23
    2．3．3． 处理器能量效率度量  23-26
  2．4． 小结  26-28
第三章 低功耗设计方法及设计流程  28-61
  3．1． 低功耗设计方法综述  28-30
  3．2． 电路级低功耗设计方法  30-36
    3．2．1． 逻辑类型的选择  30-34
      3．2．1．1． 动态CMOS逻辑  30-32
      3．2．1．2． 传输门逻辑  32-34
    3．2．2． 降低电容  34-35
      3．3．1．1． 按比例缩小工艺  34
      3．3．1．2． 在版图设计中降低电容  34-35
    3．2．3． 降低电压和频率  35-36
  3．3． 门级低功耗设计方法  36-40
    3．3．1． 单元库映射  36-37
    3．3．2． 改变单元尺寸  37-38
    3．3．3． 插入缓冲器  38
    3．3．4． 调整相位  38-39
    3．3．5． 管脚置换  39
    3．3．6． 因式化简  39-40
  3．4． 寄存器传输级低功耗设计方法  40-48
    3．4．1． 门控时钟  40-44
      3．4．1．1． 门控时钟单元  42
      3．4．1．2． 添加门控时钟后电路的可测性  42-43
      3．4．1．3． 全局门控时钟  43-44
    3．4．2． 存储单元分区访问  44-45
    3．4．3． 操作数分离  45-46
    3．4．4． 预计算  46-47
    3．4．5． 操作树变形  47-48
  3．5． 结构和算法级低功耗设计方法  48-57
    3．5．1． 采用并行结构  48-50
    3．5．2． 采用流水线  50-52
    3．5．3． 优化编码风格  52-53
    3．5．4． 异步电路结构  53-55
    3．5．5． 动态电压缩小  55-57
  3．6． 功耗优化和分析工具  57-59
  3．7． 采用HDL的低功耗设计流程  59-60
  3．8． 小结  60-61
第四章 低功耗译码部件设计  61-74
  4．1． NCS2000的基本结构框架  61-62
  4．2． NCS2000译码器的设计  62-66
    4．2．1． NCS2000的指令结构和译码器读入电路  62-64
    4．2．2． 译码器的结构  64-65
    4．2．3． 译码状态机的设计  65-66
  4．3． 已译码队列的精确访问控制设计  66-68
    4．3．1． 已译码队列的组成  66-67
    4．3．2． 精确控制访问的实现  67-68
    4．3．3． 结果统计  68
  4．4． 已译码队列的门控时钟设计  68-72
    4．4．1． 内嵌时钟平衡单元设计  69-71
    4．4．2． 统计结果  71-72
  4．5． 译码逻辑的设计  72-73
  4．6． 小结  73-74
第五章 微程序部件的设计  74-90
  5．1． NCS2000微程序部件的体系结构  74-77
    5．1．1． 输入地址选择  75-76
    5．1．2． 指令拼接电路  76-77
  5．2． 微程序ROM的分区设计  77-79
  5．3． 下地址转移逻辑中堆栈的优化设计  79-84
    5．3．1． 下地址转移逻辑的基本结构  79-83
    5．3．2． 堆栈的功耗优化设计  83-84
  5．4． 微程序优化编码的研究  84-89
    5．4．1． NCS2000的微指令集  85-86
    5．4．2． 微程序ROM的结构  86-87
    5．4．3． 低功耗考虑的NCS2000微指令编码  87-89
  5．5． 小结  89-90
第六章 运算器的设计  90-106
  6．1． NCS2000运算器的基本结构  90-93
    6．1．1． 乘法控制状态机  91-92
    6．1．2． 除法控制状态机  92-93
  6．2． 低功耗加法器研究  93-98
    6．2．1． 各种加法器结构的分析  94-95
    6．2．2． 加法器性能参数分析  95-96
    6．2．3． 加法器的实现  96-97
    6．2．4． 结果统计  97-98
  6．3． 移位寄存器的设计  98-102
    6．3．1． 移位寄存器的结构  98-100
    6．3．2． 移位指令的分析  100-101
    6．3．3． 移位器实现结构  101-102
    6．3．4． 结果统计  102
  6．4． 动态操作数交换  102-105
    6．4．1． 动态操作数交换电路结构  103-104
    6．4．2． 结果统计  104-105
  6．5． 小结  105-106
第七章 有限状态机的低功耗设计技术  106-115
  7．1． 有限状态机的描述  106-107
  7．2． 有限状态机的低功耗设计方法  107-109
    7．2．1． 控制状态编码  107-108
    7．2．2． 门控FSM  108-109
    7．2．3． 选择时钟FSM  109
    7．2．4． 垂直状态分解法  109
  7．3． 状态分解法  109-113
    7．3．1． 有限状态机分解原理  110-112
    7．3．2． 低功耗的状态分解  112-113
  7．4． 译码状态机设计  113-114
  7．5． 小结  114-115
第八章 结论  115-117
致谢  117-118
参考文献  118-124
攻读博士学位期间参加的科研工作及发表的学术论文  124-125

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 电子数字计算机（不连续作用电子计算机） > 运算器和控制器（CPU）
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