面向外设管理的微处理器硬件多线程扩展

摘要

近年来，物联网技术发展迅速，广泛地应用于社会生活，如智能家居、医疗电子、汽车电子等。物联网技术本质上是传感器控制系统，其利用大量传感器设备去采集事物的信息，传感器设备一般具有实时性要求。传统微处理器针对有实时性要求的外设管理存在局限性，如需要保存与恢复中断现场、中断响应延迟随机性较大等。本文基于传统微处理器扩展设计了一款面向外设管理的硬件多线程处理器，主要的设计目标有两点:一是提高中断响应速度;二是当多中断并发处理时，减少中断平均处理时间。
　　为了加快中断的响应速度，本文提出一种基于CK802嵌入式微处理器的细粒度多线程扩展设计方案，支持四个硬件线程并行处理中断，并且允许中断派发器直接将中断服务程序派发到处理器的硬件线程上执行，无需软件干预，减少了中断现场的保存与恢复操作。同时，本文还提出一种条件轮询的硬件线程调度策略，该策略只允许就绪的硬件线程参与调度，相比于轮询调度策略，在多中断并发场景下，其能够更好地隐藏并发中断的流水线延迟，提高处理器的中断并行处理效率，减少中断处理平均所需的时间。
　　本文对多线程扩展前后的处理器进行了对比分析。实验表明当硬件多线程处理器中存在空闲硬件线程时，其中断响应延迟只需一个时钟周期，远快于基准处理器12个时钟周期的中断响应速度。而且当多中断并发处理时，硬件多线程处理器的中断平均处理时间较基准处理器减少了48.80％，代价是综合面积增加了15.2％。本文还将该硬件多线程处理器与按轮询策略调度的硬件多线程处理器进行了对比分析，实验表明当多中断并发处理时，本文实现的硬件多线程处理器的中断平均处理时间比按轮询策略调度的硬件多线程处理器减少了15.43％，而综合面积只增加了1.3％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 硬件多线程处理器研究现状

1．3 论文研究内容及意义

1．4 论文组织结构

第二章 硬件多线程处理器的设计技术

2．1 流水线技术

2．1．1 数据相关

2．1．2 控制相关

2．1．3 结构相关

2．2 硬件多线程技术

2．2．1 细粒度多线程

2．2．2 粗粒度多线程

2．2．3 同时多线程

2．2．4 单芯片多处理器

2．3 线程切换的硬件保护机制

2．4 本章小结

第三章 硬件多线程处理器的架构扩展设计

3．1 线程级并行实现方式分析

3．2 线程级并行度分析

3．3 系统整体架构设计

3．4 处理器指令流水线架构的多线程扩展

3．4．1 基准处理器的指令流水线架构

3．4．2 硬件多线程处理器的指令流水线架构

3．4．3 流水线效率提升理论分析

3．5 中断派发机制

3．6 硬件线程调度策略

3．7 本章小结

第四章 硬件多线程处理器的电路设计与实现

4．1 矢量中断控制器设计

4．1．1 中断产生逻辑

4．1．2 优先级管理器

4．2 中断派发器设计

4．2．1 线程状态寄存器组

4．2．2 中断派发逻辑

4．3 处理器指令流水线的多线程扩展设计

4．3．1 中断处理接口的多线程扩展设计

4．3．2 通用寄存器组的多线程扩展设计

4．3．3 译码级多线程扩展设计

4．3．4 执行级多线程扩展设计

4．3．5 取指级多线程扩展设计

4．4 同步信号量单元设计

4．4．1 硬件信号量

4．4．2 自旋锁机制的实现

4．5 本章小结

第五章 硬件多线程处理器的FPGA验证与结果分析

5．1 FPGA功能验证

5．2 实验结果分析

5．2．1 流水线性能

5．2．2 中断响应延迟

5．2．3 中断处理时间

5．2．4 综合面积

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介