嵌入式RISC处理器中指令流水单元的设计

摘要

论文来源于某公司的32位嵌入式RISC处理器设计项目一“ENOD”，研究嵌入式RISC处理器中的指令流水线，完成了其中指令流水单元及可配置乘法器的设计与验证。 32位RISC嵌入式处理器ENOD采用SPARC体系结构，使用AMBA总线接口，各功能部件可以灵活配置，扩展性强。 指令流水单元是ENOD处理器中的主要数据通路，它控制着ENOD的整数指令执行过程，是ENOD中的核心模块之一。作者从分析ENOD的体系结构和指令集入手，讨论了指令流水线中的分级，发射策略，完成了ENOD中的指令流水线的详细设计。对制约流水线效率的数据相关，控制相关和资源相关等问题进行了研究和分析，确定了解决方案。认真研究和分析了指令流水线中每个流水段的工作和实现方法，完成了对每个流水段的详细设计。 硬件乘法器由于操作复杂，电路庞大，耗时较长，位于整个芯片的关键时序路径上。为了优化ENOD的性能和提高其灵活性，作者基于Radix一4的Booth算法设计了单周期、流水线和多周期三种不同结构适合于不同场合的硬件乘法器IP核。根据ENOD操作数的位宽和对乘法器的要求选择多周期结构的乘法器作为该处理器的实现方案。 建立了ENOD处理器的可重用验证平台，完成了ENOD中指令流水单元和可配置乘法器IP核的功能仿真，完成了FPGA验证。基于SMIC0.35um标准单元完成了逻辑综合及静态时序分析，主频可以达到100Mhz，满足设计要求。 本文所作的工作对进一步研究更高级的处理器提供了很好的思路和方法，具有很大的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

西北工业大学学位论文知识产权声明书及原创性声明

第一章绪论

1.1选题背景

1.2国内外研究现状

1.3论文所做的工作

1.4论文的结构安排

第二章ENOD的指令流水线

2.1 ENOD的体系结构

2.1.1 ENOD的指令格式

2.1.2 ENOD的指令集

2.1.3 ENOD的寻址方式

2.1.4 ENOD的寄存器

2.2 ENOD的总体结构

2.3 ENOD的指令流水线设计

2.3.1 ENOD指令流水线的分级

2.3.2 ENOD指令流水线的发射策略

2.4本章小结

第三章指令流水单元的设计与实现

3.1指令流水单元的相关问题及解决办法

3.1.1结构相关及解决办法

3.1.2数据相关及解决办法

3.1.3控制相关及解决办法

3.2指令流水单元的总体结构及各级功能

3.3指令流水单元中各流水段的设计

3.3.1取指段的设计

3.3.2译码段的设计

3.3.3执行段的设计

3.3.4访存段的设计

3.3.5写回段的设计

3.4指令流水单元单元的实现结果

3.5本章小结

第四章可配置乘法器的设计与实现

4.1可配置乘法器采用的算法

4.2可配置乘法器的结构设计

4.2.1单周期乘法器设计

4.2.2流水线乘法器设计

4.2.3多周期乘法器设计

4.3三种乘法器的比较及分析

4.4三种结构乘法器的集成

4.5本章小结

第五章指令流水单元的验证

5.1验证策略

5.1.1优秀验证策略的原则

5.1.2 ENOD中的验证策略

5.2验证平台

5.2.1什么是验证平台

5.2.2 ENOD验证平台的考虑

5.2.3 ENOD的验证平台

5.3测试用例

5.3.1什么是测试用例

5.3.2 ENOD中的测试用例

5.4验证结果

5.4.1功能仿真

5.4.2形式验证

5.4.3静态时序分析

5.4.4动态仿真

5.5可综合设计与优化

5.6本章小结

第六章结束语

参考文献

硕士期间发表论文及参加科研工程项目

致谢