面向对象能耗模型研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文专用指令集处理器（ASIP）体系结构设计研究作者：杨君专业：计算机系统结构导师：周学海李曦完成日期：二零零六年五月中国科学技术大学计算机科学与技术系二零零六年五月ResearchOnApplicationSpecificInstructionSetProcessor(ASIP)ArchitectureDesignMay2006AthesisSubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyDepartmentofComputerScienceandTe

2、chnologyUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA摘要专用指令集处理器(ASIP,AapplicationSspecificinstructionSsetPprocessor)是一种新型的具有处理器结构的芯片，它为某个或某一类塑应用而专门设计。通过权衡速度、功耗、成木、灵活性等多个方面的设计约束，设计者可以定制ASIP达到最好的平衡点，从而适丿应嵌入式系统的需要。因而ASIP在嵌入式领域具有良好的应用前景。ASIP设计需要面对多种类型的应用定制最优的体系结构，应用多样性和设计时效性是迫切需要解决的问题。然而，tl前ASIP体系结构设计的研究

3、大多在某个局部展开，难以提供一种具有易用性、快速性和可评估性的设计方法和环境。所以，本文在对具体的ASIP设计步骤和现有设计方法学进行分析的基础上，提出一种“描述-搜索-细化”的ASIP体系结构设计流程，研究了设计中体系结构描述、搜索与低功耗优化的问题，并依此实现完整的设计环境原型。主要研究归结为①基于ASIP体系结构描述语言xpADL的软件工具生成技术。使用体系结构描述语言xdADL驱动设计流程,设计和实现了描述语言可执行语义的转化和扩展机制，支持快速的功能性验证和性能估计。②基于基木指令集方法的指令集定制和结构属性设计空间搜索技术。定制指令集时利用性能、能耗、而积等多指标归一化模

4、型评估指令集扩展的效果，并采用低功耗状态编码的思想进行指令字编码。同时，采川自动生成的软件工具对由流水线、功能部件、存储部件等构成的结构属性设计空间进行搜索，得到最优的ASIP体系结构。③结合ASIP体系结构特征，以应用特征为指导，针对指令集(程序代码)、流水线和存储部件进行了低功耗优化研究。④在上述研究的基础上，实现了一个支持“描述-搜索-细化”设计流程的ASIP体系结构设计环境原型A沁E,并基于此平台上定义了釆用ARM、PISA和Vcore等体系结构的实验型ASIP,验证了A2IDE的有效性。木论文做出的贡献主耍体现在：(1)在深入分析已有的电子系统设计方法学的基础上，实现了“描

5、述•搜索■细化”的ASIP体系结构设计流程。该流程在不同设计层次上使用不同抽象粒度的体系结构模型和语言描述，有效的降低了设计复杂度。描述和搜索过程中，设计方案经过了较高层次上的验证和评估，然后才进入细化的过程，消除了高代价的、耗时的设计反复。(2)以体系结构描述语言xpADL驱动各个设计步骤，并对参数化体系结构模型的基木屈性进行快速评估。利用元语言XML的特性，设计和实现了xpADL作为设计任务间的信息交换以及口动化的可执行语义转化和扩展机制，支持设计方案的功能性验证和性能评估。提出了针对指令集扩展的包括性能、功耗、面积和代码大小四个指标的归一化评估模型，并定义了结构属性构成的设计空

6、间，实现了半自动化的设计。(3)提出了三种ASIP体系结构低功耗优化技术。英屮，每存器二次分配通过状态编码减少相邻指令字的总线翻转，降低系统传输功耗；循环缓冲在低附加开销的硬件和软件的支持下，能够粘:确、高效的关闭流水线中的取值和译码段，节约系统执行功耗；X路组相联Cache比起传统Cache而言，在保证性能的前提下人幅缩减硬件规模，从功耗和面积两个方面都取得优化效果。关键词：ASIP、设计方法学、体系结构描述语言、设计空间搜索、低功耗AbstractASIP(ApplicationSpecificInstnictionProcessor)isakindofspecialproces

7、sordesignedforspecificapplications・Makingtradeoffsbetweenspeed,cost,powerconsumptionandflexibility,thedesignerscustomizeASIPtomeetthedemandofmanydesigngoals.SoASIPisbecomingmoreandmorepopularinembeddedapplications・WhenASIPisusedin