altivec协处理器的软硬件协同设计

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1、AltiVec协处理器的软硬件协同设计SW/HWCo-DesignofAltiVecCoprocessor领域：软件工程作者姓名：沈亚峰指导教师：郭炜研究员企业导师：王粟高级工程师天津大学软件学院二零一五年十二月摘要为了在整体上提高嵌入式系统对多媒体应用的处理能力，现代的处理器设计公司和厂商通常都会在其原有的指令集的基础上增加一部分扩展指令，专门用于多媒体应用的处理。而这一部分指令通常是基于SIMD(单指令多数据)技术的。AltiVec技术就是由IBM公司和摩托罗拉公司提出的用于扩展PowerPC指令集的

2、向量类指令，其目的在于提升PowerPC系列的处理器对于多媒体数据的并行处理能力。软硬件协同设计指的是软件和硬件的设计同步进行。这种方法使得软件设计人员能够在硬件开发完成之前就获得硬件需要实现的指令算法模型，并根据该算法进行软件级别的建模和实现。对于一款协处理器而言，其软硬件协同设计的流程主要包括下面的几部分：指令集的功能与格式分析、软硬件任务划分、软硬件同步设计和验证。本文对一款AltiVec协处理器进行了软硬件的协同设计和验证。首先，文章介绍了AltiVec体系结以及AltiVec指令集的基本功能和格

3、式。之后，针对AltiVec体系结构，提出了几种软硬件协同设计与验证流程，也即：使用SystemVerilog平台的软硬件协同验证、PowerPC405+AltiVec的顶层验证、基于QEMU电子系统级设计平台的软硬件协同设计与验证。随后，文章根据AltiVec指令格式的分析，给出了一种AltiVec协处理器硬件实现的顶层架构图和其中的一个功能单元的硬件实现架构图，并在此基础上进行了验证平台的设计和实验。最后，在QEMU虚拟机上完成了基于AltiVec指令集的IDCT程序设计，并且评估了使用AltiVec

4、指令后对程序运行效率的影响。同时，在PowerPC405+AltiVec顶层硬件上运行了程序，并对验证中出现的问题进行了总结和说明。关键词：嵌入式，多媒体，协处理器，AltiVec，软硬件协同设计IABSTRACTInordertoimprovetheoverallprocessingcapabilityofembeddedsystemsformultimediaapplications,modernprocessordesigncompaniesandmanufacturersgenerallywill

5、addanextrasetofcoprocessorinstructionsdedicatedtomultimediaprocessinginadditiontoitsoriginalbasicinstructionset.Inmostcases,thissetofinstructionsisbasedontheSIMD(singleinstructionmultipledata)technology.AltiVectechnologyisoriginallyproposedbyIBMandMotorol

6、atoactasaSIMDvectorextensiontothePowerPCinstructionset,aimingatenhancingtheparallel-processingcapacityforPowerPCfamilyprocessorsinmultimediadataprocessing.Hardwareandsoftwareco-designreferstotheparalleldesignofsoftwareandhardware.Thisapproachallowssoftwar

7、edesignerstogettheinstructionalgorithmmodelthatthehardwareistoimplementbeforethecompletionofhardwaredevelopmentandconductthesoftwaremodelingandimplementationaccordingtothatalgorithm.Foraco-processor,itsSW/HWco-designflowconsistsofthefollowingparts:theanal

8、ysisofthefunctionandformatofinstructionset,taskassignmentofsoftwareandhardware,co-designandco-verificationofsoftwareandhardware.ThisthesishasconductedtheSW/HWco-designandco-verificationofanAltiVeccoprocessor.Firstly