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。

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。

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.

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。

一种定制指令集处理器ASIP评估指标权重抽取技术

针对现有的评估方法中,人为指定指标权重而导致的评估准确性低的问题,基于模糊数学中模糊判断矩阵的相关理论,提出一套ASIP评估指标权重的抽取方法.首先利用模糊矩阵对评估指标中任意两个指标的重要程度作出判断,并将判断的可靠程度量化,然后利用偏差函数求解最接近于ASIP设计者提供的模糊判断矩阵的一致性矩阵,从而获得ASIP评估指标权重.

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.

加密专用处理器指令集设计

源码分析技术是一种重要的专用处理器设计方法,用于定位程序运行的瓶颈所在。通过新颖的细粒度源码分析技术,针对加密应用,扩展的开源可扩展处理器OR1K指令集以协处理器的方式和主处理器紧密耦合,可以获得相比传统设计方法更高的效率和更好的性能。实验结果表明,指令扩展后的处理器相比原处理器在增加较少芯片面积消耗的情况下处理效率提高为扩展前的1.78倍。

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。

面向专用处理器指令集设计的应用特征分析方法研究与实现

专用处理器的指令集设计是专用处理器设计中的关键问题。SoC专用处理器指令集设计有其特殊的程序特征分析需求,迫切需要面向专用指令集设计的程序特征分析工具支持,但当前能够完全支持专用指令集设计的特征分析工具比较少,设计人员仍需人工或同时调用多种分析工具才能来获取所需特征信息,且效率低、结果不够直观,无法迅速有效地对专用指令集设计提供有效的数据支持。本文面向专用处理器指令集设计,研究并实现了一种基于程序中间表示的应用特征自动分析方法,以可视化的方式得到了程序的控制关系特征、计算特征、操作数据特征和核心运算等特征。该工具不仅可支持专用指令集设计,对于SoC编译优化、任务分配等也可以提供简明直观的辅助支持,具有一定通用性,同时提供图形化的结果显示与友好的人机界面,使用简明方便。

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.

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.

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。

AES专用指令处理器的研究与实现

随着加密算法在嵌入式可信计算领域的广泛应用,如何提高其执行效率成为研究的热点问题.高级加密标准(AES)凭借其在安全性、费用开销和可执行性等方面的内在优势,成为使用最为广泛的对称密钥加密算法.采用指令集架构(ISA)扩展优化的方法对AES算法进行指令扩展优化.基于电子系统级(ESL)方法设计流程,使用基于LISA语言的处理器生成工具构建了一个高效AES专用指令处理器(AES_ASIP)模型,最终实现于FPGA中.经过一系列的仿真和验证,对比ARM处理器指令集架构,实验结果显示AES_ASIP以增加少许硬件资源为代价,提高了算法58.4x%的执行效率并节省了47.4x%的指令代码存储空间.

嵌入式领域ECC专用指令处理器的研究

与其他公钥密码算法相比,椭圆曲线密码算法(Elliptic Curve Cryptography,ECC)具有抗攻击能力强、计算量小以及处理速度快等优点,已成为下一代公钥密码体制的标准.随着ECC在嵌入式领域的应用日益广泛,如何提高其执行效率成为目前研究的热点问题.文中提出了一套通用的专用指令处理器(Application Specific Instruction Processor,ASIP)的设计验证方案,并将该方案应用于ECC,从而大幅提升其在硬件资源受限的嵌入式环境中的执行效率.首先借鉴并实现了OpenSSL公开的ECC软件优化方案,并结合处理器平台的特点对大整数乘法运算和多项式平方运算进行了进一步优化.其次对优化后的算法进行基本指令块(Basic Instruction Block,BIB)的划分并转化为数据流图(Data Flow Graph,DFG),在DFG图中依照专用指令设计规则引入近似最优解方法查找可优化指令块.对该类指令块设计相应的专用指令,以实现处理器原有基础指令集架构的扩展.再次基于电子系统级(Electronic System Level,ESL)设计方法依次设计并仿真验证ECC_ASIP的系统级模型和Verilog寄存器传输级(Register Transfer Level,RTL)模型.最后将验证通过的RTL级处理器模型进行综合、布局布线,转换成相对应的门级电路并统计模型使用的硬件资源信息,烧写到FPGA(Field-Programmable Gate Array)平台完成ECC_ASIP的移植操作和性能验证.与ARM11处理器平台下算法实现的性能表现进行对比,实验结果显示,ECC_ASIP牺牲了9.23x%的硬件扩展资源,将算法实现的运算速度提高了2.74x倍,指令代码存储空间减少了59.36x%.

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。

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。

V800系列高性能32-位精简指令集(RISC)微处理器 日本NEC崭新产品

引言V800系列是由采用NEC之原创体系结构的32-位精简指令集(RISC)微处理器所组成。一个精简指令集处理器拥有一套简单的指令集,也因此只能执行内有限数目的指令。但若与现行的复杂指令集(CISC)处理器比较,RISC处理器却能显注地把硬件精简化,及以高速运行。所以,RISC处理器有许多优点,例如开发期短,价钱低廉,以及高性能。RISC和CISC处理器两者之间的主要差别如下:

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.

用于IToF传感器的极低功耗RISC-V专用处理器设计

IToF深度探测技术是当前主流的3D感知实现方案之一,该技术的核心部件是IToF传感芯片。随着当今社会数字化与智能化进程的加快,各科技领域对IToF传感芯片的需求日益提高,然而IToF传感芯片产能的提升引起了由芯片运行所带来的功耗问题。针对IToF传感器设计一款基于第五代精简指令集架构(RISC-V)的极低功耗专用处理器IToF-miniRV。IToF-miniRV包含支持RV32I指令集、RV32M指令集和自定义IToF型指令的处理器,以及用于加速深度计算和光幅度运算的IToF硬件加速器。将IToF-miniRV处理器与蜂鸟E203、PULPissimo这两款开源的基于RISC-V的超低功耗处理器分别部署在Xilinx Zynq-7000芯片上,进行FPGA资源使用情况和运行功耗的对比实验,结果表明,相比蜂鸟E203和PULPissimo,IToF-miniRV处理器的FPGA资源使用率分别减少5.2和10.9个百分点,运行功耗分别下降37.6%和89.7%。