X-DSP64位定点ALU和归约单元的设计优化与验证

摘要

数字信号处理器（DSP）是进行高速实时信号处理的专用处理器，在航空航天、通信与信息系统、自动控制和消费类电子产品等领域得到了广泛的应用。X-DSP属于一款完全自主正向设计的64位高性能DSP，采用VLIW体系结构，可同时流出11条指令，支持多种功能的定点和浮点操作，拥有强大的并行运算能力。
　　本文主要涉及到X-DSP内核中定点算术逻辑运算单元（IALU）和定点归约单元（VRDC）的设计优化与验证。其中，定点算术逻辑运算单元（IALU）主要执行微处理器的单周期指令，它的性能往往决定着整个微处理器的性能，其设计极具挑战性。本文的主要内容如下：
　　一、研究设计了IALU单元和归约单元的指令集和总体结构，根据预期的设计规范和设计需求，完成了IALU单元和归约单元的微体系结构设计，并对它们内部的关键模块进行了具体的逻辑实现。
　　二、分别在标量处理单元（SC）和向量处理单元（VPU）两个高层次下，针对IALU单元出现的不足，采用流水线技术、逻辑优化和寄存器复制等方法，使性能、功耗和面积等方面得到了进一步的优化。
　　三、重点采用模拟验证的方法对IALU单元和VRDC单元在不同的层次进行全面的功能验证。模块级验证采用特殊功能点进行定向测试、随机数测试和黄金模型对比测试；系统级验证侧重全局控制信号测试、指令组合测试和指令冲突测试，然后结合覆盖率统计工具消除模拟验证的漏洞，进一步指导验证方向，从而为功能正确性提供有力保障，最后使用形式化验证工具ATEC和Formality进行等价性检查，进一步保证RTL级代码的正确性。
　　四、在本文的最后，使用Synopsys公司的综合工具DC（Design Compiler），在45nm工艺下对优化前后的IALU单元以及归约单元做了逻辑综合。IALU单元可达到310ps，比之前时序330ps改善了20ps，归约单元调整流水线结构之后时序能达到160ps，IALU单元和归约单元都能到达设计450ps的设计要求。

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第一章 绪论

1.1 DSP概述

1.2 相关内容的研究

1.3 X-DSP的总体结构

1.4论文的组织结构

第二章 定点ALU单元和归约单元的设计

2.1定点ALU单元的设计

2.2定点ALU单元的内部优化

2.3 定点归约单元的设计

2.4 归约单元的优化

2.5本章小结

第三章 SC和VPU环境中IALU单元的优化

3.1 标量单元SC中IALU的优化

3.2向量单元VPU中IALU的优化

3.3 本章小结

第四章 功能验证与综合

4.1 IALU单元和归约单元的验证

4.2 综合与分析

4.3 本章小结

第五章 结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果