网络处理器微引擎的设计、验证与实现

摘要

随着互联网的普及，网络带宽不断增大，新型业务不断出现，这些都对网络数据处理设备提出了高性能、可编程的要求，网络处理器正是在这样的背景下产生的。作为网络处理器的数据处理核心，微引擎处理器扮演着重要角色，它的性能很大程度上决定了网络处理器的数据处理能力。
　　本文重点设计了一款可编程、高性能的微引擎处理器。它使用了可编程的指令存储器，可以适应不断变化的网络协议和新型业务;指令集方面针对常用的网络处理进行了优化，设计了针对网络特殊应用的循环冗余校验、FFS等指令;采用了五级流水线结构，提高了系统性能，使单个微引擎的速度达到了250MHz;设置了特殊的数据存储器，如邻居寄存器和本地存储器，并使用灵活多样的寻址方式，达到了线程间数据隔离和共享的目的;使用了事件信号来同步外设的访问和线程切换;硬件多线程是微引擎的一大特点，采用了基于事件信号的主动式的线程切换，多个线程使用轮询的仲裁策略，通过上下文切换共享一条流水线，可以提高流水线的执行效率。本文还搭建了验证平台，对微引擎的所有指令进行代码仿真，针对关键技术点做了焦点验证。最后在SMIC0.13μm的工艺条件下对RTL代码进行逻辑综合，结果表明该设计的工作频率可以达到250MHz。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．网络处理器简介

1．2．网络处理器的研究现状

1．3．论文的主要内容和章节安排

1．3．1．论文的主要内容

1．3．2．论文章节安排

第二章 微引擎处理器的架构设计

2．1 XDNP的系统架构

2．2 微引擎的架构设计

2．3 微引擎的指令集系统

2．4 微引擎的存储体系

2．4．1 微引擎中的存储器

2．4．2 微引擎的寻址方式

2．5 微引擎的五级流水线

2．5．1 流水线技术

2．5．2 微引擎采用的五级流水线

2．6 执行单元

2．6．1 算数逻辑单元和移位器

2．6．2 字节排列

2．6．3 按内容寻址存储器单元

2．6．4 循环冗余校验单元

2．7 控制状态寄存器

2．8 本章小结

第三章 微引擎中的关键技术

3．1 微引擎对存储器的异步访问机制

3．1．1 存储器墙

3．1．2 微引擎中存储器的异步访问机制

3．2 硬件多线程技术及其实现

3．2．1 硬件多线程技术

3．2．2 微引擎的硬件多线程设计方案

3．2．3 现场保护和恢复机制

3．2．4 线程的状态切换机制

3．2．5 线程的仲裁

3．3 分支指令的处理

3．3．1 微引擎中的分支指令

3．3．2 分支延迟技术

3．3．3 分支预测技术

3．4 本章小结

第四章 微引擎的验证与实现

4．1 数字集成电路验证技术

4．1．1 功能验证

4．1．2 时序验证

4．1．3 形式验证

4．1．4 物理验证

4．2 搭建验证平台

4．3 验证结果

4．3．1 常用指令的验证

4．3．2 分支跳转指令的验证

4．3．3 I／O和线程切换指令的验证

4．3．4 CAM指令的验证

4．3．5 关键点的验证

4．4 微引擎的逻辑综合

4．5 形式验证

4．6 本章小结

第五章 结束语

致谢

参考文献

研究成果