基于数据通路各运算部件的通用数字信号处理器设计与实现

摘要

伴随着微电子学，数字信号处理技术和计算机技术等学科的飞速发展而产生的数字信号处理器(DSP)，是一种体现这三个学科综合研究成果的新型微处理器。微电子技术突飞猛进，工艺特征尺寸以减小到0.18微米以下，0.13微米的工艺已经成熟，目前已经下降到90纳米的水平。基于集成电路工艺的提升，代表集成电路发展水平的微处理器也不断的更新换代，性能越来越高。数字信号处理器的发展更是如此。　　本文介绍了自行设计的一款高性能16位定点通用DSP。研究的重点是基于DSP数据通路如何设计和实现各运算部件单元。在体系结构设计上，采用6级流水线，使流水线的控制相对简单，流水线的吞吐率也较高；总线结构采用改进的哈佛结构，能够保证DSP有足够的数据吞吐率，为计算部件提供数据；采用高速的乘累加累减单元，保证单时钟周期完成一次乘累加累减运算；采用并行技术，单时钟内完成一次运算和从存储器读取两个操作数；采用“零开销”循环技术，提高循环指令执行的效率；采用延迟转移，提高流水线的吞吐率；采用后变址寻址和位反寻址技术，提高访存指令的效率。在行为级描述上，从数据通路和控制通路两个方面分别对DSP进行行为建模。　　本文简要的总结了通用DSP处理器设计方法与具体流程，为以后的设计者提供了参考，使得设计过程中任务清晰。本文还探讨了一些关于芯片验证和测试的测试方法。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章引言

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外通用数字信号处理器发展现状调研

1.3通用数字信号处理器的发展趋势

1.4课题研究内容及论文内容安排

第二章数字信号处理器的体系结构

2.1数据类型

2.1.1数据位宽

2.1.2定点数与浮点数

2.1.3有符号数的表示方法

2.1.4数字信号处理器中的数据类型

2.2指令集的设计

2.2.1控制指令

2.2.2数据移动指令

2.2.3计算指令

2.2.4移位指令

2.2.5多功能指令

2.3流水线的设计

2.3.1流水线设计的一般考虑

2.3.2 DSP中流水线的设计

2.4存储系统与数据通路

2.4.1存储系统

2.4.2数据通路

2.5执行部件

2.5.1乘法累加累减单元

2.5.2算术逻辑单元

2.5.3桶式移位器

2.6控制部件

2.7接口电路设计

2.7.1 Host端口

2.7.2 SPI(串行外围接口)

2.7.3 DSP SPORTs(串口)

2.7.4 UART端口

2.8本章小结

第三章加法/乘法器的设计原理与实现

3.1加法器设计原理与实现

3.2乘法器设计原理与实现

3.3本章小结

第四章基于DSP数据通路各运算部件的设计与实现

4.1算术逻辑单元

4.1.1溢出锁存模式

4.1.2饱和模式

4.2高性能16位乘法累加累减器的设计实现

4.2.1乘法累加累减单元整体结构

4.2.2基本乘法单元结构设计

4.2.3三输入高速ALU部件

4.2.3仿真/综合结果及其实现方法

4.2.4结论

4.3桶式移位器单元

4.3.1基本功能介绍

4.3.2设计原理及Tree-Mux结构移位阵列

4.3.3移位器电路结构

4.3.4验证

4.3.5结论

4.4数据寄存器堆

第五章通用数字信号处理器的设计和测试方法

5.1数字信号处理器的设计方法

5.1.1软硬件协同设计

5.1.2指令集设计

5.1.3体系结构的建立

5.1.4整体结构模型建立

5.2数字信号处理器的可测试性方法

5.3数字信号处理器设计流程小结

5.4数字信号处理器物理设计流程概述与实现

5.5本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

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