专用指令集处理器(ASIP)行为级设计方法研究

由专用指令集处理器(ASIP)构成的片上系统(SoC)具有高效、灵活等优点。有效的ASIP行为级设计方法对于SoC设计具有重大意义。该文对ASIP行为级设计方法进行研究,提出了一种基于体系结构描述语言(ADL)的ASIP行为级设计方法,并介绍了基于该方法的可视化ASIP行为级设计平台xptools。

面向专用指令集处理器设计的软硬件协同验证

为提高专用指令集处理器设计中的验证效率和覆盖率,将专用指令集处理器的寄存器传输级设计验证与汇编器、指令集模拟器等软件开发工具的测试相结合,提出一种软硬件协同验证方法。该方法按照覆盖率要求由软件自动产生测试程序和数据,将利用汇编器产生的机器指令输入到指令集模拟器和硬件仿真工具分别进行软硬件仿真,通过软硬件仿真结果自动比对得出联合验证结果。实践证明,该方法能够有效提高验证效率和覆盖率,缩短验证周期。

专用指令集处理器模型的研究

针对现有专用指令集处理器(ASIP)模型的不足和ASIP的特点,提出了一个新型的ASIP模型——xpMODEL.它以指令行为作为设计核心,引入指令行为有限状态机IB-EFSM建立指令操作的时序调度机制,通过原语操作完成行为中对处理器资源的调用,有效地对指令的流水化操作进行了建模.在对处理器资源的建模中,利用资源库描述处理器的部件、存储和连接,并通过抽象层和行为层的部件双层建模形式有效地支持了对ASIP中专用硬件和外围部件的描述.介绍了xpMODEL对一些复杂执行机制,如forwarding技术、动态调度技术、分支预测技术和中断技术建模的支持,说明了其建模能力相对于现有的ASIP模型的优势.

专用指令集处理器(ASIP)评估方法研究

针对专用指令集处理器(ASIP)评估具有多属性维数、多目标类型、多数据类型的特点,提出一种基于比较的评估方法。在评估的不同阶段,选取不同的参照指标,对数据进行处理、集结,从而获取候选方案的排序向量。根据评估目标类型和数据信息类型选取特定的参照数据,进行数据信息与参照数据的比较;利用模糊矩阵对评估指标的重要程度进行两两比较,并对其进行一致性判断和修正,获取指标权值向量;最后,利用有序加权平均法获取各候选方案的综合属性值,并提出区间比较度的概念,为评估提供量化依据。实例计算表明了该方法的有效性。

基于RISC-V的卷积神经网络专用指令集处理器

针对x86和ARM商用架构CPU因专利、授权导致定制成本过高和灵活性不够的问题,面向物联网领域提出一种基于RISC-V开源指令集的卷积神经网络(CNN)专用指令集处理器。通过自定义拓展指令调用加速器对轻量化CNN中的卷积和池化操作进行加速,提高终端设备能效。在此过程中,配置CNN各层信息控制加速器进行分组运算,以适应不同大小的输入数据,同时调整加速器的数据通路,对耗时操作进行单独或结合运算,以适应不同的轻量化网络。FPGA平台验证结果表明,该处理器在100 MHz工作频率下推理Squeeze Net网络,耗时约40.89 ms,功耗为1.966 W,较手机处理器单核计算速度更快,与AMD Ryzen7 3700X、NVIDIA RTX2070 Super和Qualcomm Snapdragon 835平台相比,其消耗资源少、功耗低,在性能功耗比上也具有优势。

高性能PLC专用指令集处理器设计与仿真

该高性能PLC专用指令集处理器采用自主设计的PLC专用指令集,符合PLC指令特征,可减少该PLC专用指令集处理器执行的指令数,并采用32位RISC体系结构加快PLC程序的执行速度.该高性能PLC专用指令集处理器采用哈佛总线结构,寄存器组采用位编址模式,位处理器可加速PLC布尔运算,功能块单元可提高功能块指令执行的精度,并采用四级流水线提高PLC指令的执行速度.现已完成了该高性能PLC专用指令集处理器的系统功能仿真,经测试仿真结果正确.

面向视频应用的专用指令集处理器设计

由于专用指令集处理器(ASIP)具备ASIC的高效性与通用处理器的灵活性,在视频处理领域有着广阔的应用前景。设计了一种面向视频应用的SIMD处理器,它包括显式数据置换的专用指令集和专门设计的数据通路和运算单元,实现了高效的视频处理。并采用SMIC 0.18μm标准CMOS工艺对该设计进行了VLSI实现,在最差工作条件下,时钟频率可达到180 MHz,面积约12.38 mm2。表明该处理器能极大地提高视频处理的效率。

专用指令集处理器设计的架构性研究

今日的半导体行业受到快速增长的智能消费设备市场的推动。这些产品具有功能丰富，多感官，无线互联，永久在线，以及绿色环保的特征。传统的SoC设计方法是基于一个或多个嵌入式微处理器内核（如ARM）的运用，辅之以硬连线加速器。

专用指令集安全处理器设计与VLSI实现

专用指令集处理器(ASIP)结合了ASIC协处理器的高效性与通用处理器的灵活性,在信息安全领域具有广泛的应用前景.本文针对RSA/ECC密码算法,提出了一种专用指令集安全处理器的设计与VLSI实现方案.本文的ASIP基于32位RISC架构,通过采用专用的指令集和特殊的运算单元,以较小的软硬件代价实现了密码算法的高效运算.本设计采用TSMC0.25μm标准CMOS工艺综合,核心电路等效门为28K,最高时钟频率可达到150MHz,完成一次1024位RSA算法仅需200毫秒.

ECC专用指令处理器软硬件协同设计

提出了一种专用指令处理器的软硬件协同设计方法,该方法可以在设计的早期阶段对处理器进行系统探索和验证。根据椭圆曲线密码算法的特点,并按照专用指令处理器的设计原则,以椭圆曲线密码运算基本操作及运算存储特性为基础,设计了超长指令字ECC专用指令处理器的指令集结构模型。根据处理器的指令集结构模型,以指令模拟器为基础,搭建了处理器的软硬件协同验证平台,从系统设计、RTL描述和FPGA硬件原型3个不同层次对处理器进行了验证。

基于二进制插桩的ASIP处理器指令集混合仿真方法

指令集仿真器在ASIP处理器硅前软件开发中发挥着重要的作用,但使用传统仿真方法的指令集仿真器仿真速度较慢.基于二进制插桩,提出了ASIP处理器指令集混合仿真方法,以混合仿真的方式,使基础指令直接运行在宿主机上,仅对扩展指令仿真,从而降低仿真开销,提升仿真速度.实验表明,采用此方法对主流高清音视频解码软件进行仿真的平均速度达到了1058.5MIPS,是采用当前先进的动态二进制翻译仿真方法仿真器速度的34.7倍.

专用指令分组密码微处理器体系结构研究

本文以分组密码算法为研究对象,结合微处理器体系结构的特点,研究能够高效灵活实现多种分组密码算法的处理器体系结构。论文通过分析现有分组密码算法结构特点,从实现方式的灵活性和高性能角度出发,提出了一种基于专用指令集的分组密码微处理器的设计思路,并给出了分组密码微处理器的运算单元设计方案及整体系统架构。

可定制Tcore处理器指令调度设计

基于传输触发体系结构可定制Tcore处理器具有理想的性能/价格比.但由于大量数据传输细节在体系结构一级可见导致了过低的编译效率.为此,提出了一种基于MACHSUIF中间格式的可重定目标编译器架构,将表调度与关键路径算法相结合以实现高效指令调度,从而大幅度提高编译质量.此外,通过基于操作的调度方法解决指令调度过程中功能单元的死锁问题.通过在4个DSP应用上进行测试,指令级并行度比传统的MoveFramework提高40%左右.

基于集束式整数线性规划模型的专用指令集自动定制

提出集束式整数线性规划形式化模型,利用指令间的功能依赖性解决专用指令集处理器中指令集自动定制的指数性空间问题.在此基础上,针对其前端和后端分别提出了相应的指令定制实现策略.实验结果表明,该指令定制方法可以有效地实现专用指令集的自动设计,并使最终处理器的运算性能得到优化.

用于智能传声器的低功耗语音降噪处理器设计

研究一种低功耗语音降噪处理器,提高传声器信噪比和智能化程度.该降噪处理器采用专用指令集处理器内核+硬件加速器的异构多核架构,兼顾低功耗、运算效率和灵活性.专用指令集处理器内核为24-bit位宽、多级流水、双哈佛存储结构,定制专用语音加速指令和硬件,提升运算效率.硬件加速器负责密集、规整的时域/频域变换操作,采用可配置结构,保证硬件灵活性,并通过中断和共享存储器机制与专用指令集处理器内核通信.基于SMIC 130nm工艺完成该降噪处理器芯片设计,结果显示处理器完成语音降噪任务,背景噪声下降约10dB,平均电流仅206μA.

基于Benes网络结构的比特置换在处理器中的实现

比特置换操作在对称密码算法中使用频率非常高,它所采用的非线性变换能够实现高安全性。但现有的可编程处理器对单个比特的操作并不直接支持。就此问题,研究了比特置换操作在处理器上的高效灵活实现方法,提出了一种基于Benes网络结构的硬件可实现的比特置换结构及其在不同指令集上的应用,并在FPGA上进行了验证。

指令扩展中相关子图的分析与处理

由于没有充分考虑候选子图间重叠、包含等相关关系,按照现有指令扩展方法选出的扩展指令可能无法带来预期的性能收益.详细讨论了子图相关关系和处理方法,并提出相应的指令扩展算法.在子图识别时,根据延迟约束合并相互包含的子图,根据重叠结点的位置合并重叠子图,缩小搜索空间;在子图压缩时,根据子图相关关系动态地调整候选子图的性能收益,减少相关子图引起的估算误差.此外,还根据剩余候选子图的性能收益对时间与精度进行折中.该算法已在传输触发结构ASIP的自动设计流程中实现,实际性能加速比与预期值的平均误差仅为0.17%,远低于原先的3.6%.

基于数据流图的专用指令生成方法

提出了一种基于数据流图(DFG)的专用指令生成方法.以目标应用的高级语言参考代码为起点,通过编译器前端转化为三地址中间格式,得到有向数据流图.使用提出的基于处理器体系架构约束的静态搜索算法对得到的数据流图进行搜索,得到满足约束的操作组合.结合典型测试序列的动态运行数据对搜索结果进行进一步的筛选,确定对于目标应用性能起关键作用的操作组合,以此作为专用加速指令.该方法实现了数据流图提取的自动化,并结合了静态数据流图搜索与动态结果筛选.通过在视频压缩专用处理器设计中的应用,证明此方法可以快速高效地进行专用指令的自动生成.

一种FFT并行处理机的设计与实现

专用指令集处理器具有数字信号处理器的可编程性和专用处理电路的高速性,以专用指令集处理器为核心构成的阵列式并行处理系统在高速实时处理方面有着非常重要的应用.为此,提出了一种基于专用指令集处理器的快速傅里叶变换并行处理机实现方法.设计了基于精简指令集处理器体系结构的可编程处理单元,以其为核心构成并行处理系统,采用通信矩阵解决了并行系统内各个处理单元间的数据交换问题,实现了1 024点快速傅里叶变换的并行处理.实验结果表明,在快速傅里叶变换处理方面,其处理速度比典型数字信号处理器提高30%,且具有系统并行规模大、功能灵活可变、设计复杂程度适当、设计重复利用性好的优点,非常适合在现场可编程逻辑门阵列中以SoC的形式实现.

一种高效的基于ASIPs的EPIC指令编码方法

EPIC技术不仅广泛应用于通用CPU的设计中,而且它还被应用于专用领域的专用指令集处理器(ASIPs)的设计中。目前使用的EPIC技术的性能提高是以程序代码量的急剧膨胀为代价的。为了减少EPIC程序代码长度,该文提出了一种新的指令编码方法——动态变长指令编码方法。测试结果表明,对于低编码率的语音编解码领域的ASIPs,动态变长指令编码方法可以将代码的压缩率提高到62.8%。