32位微处理器的低功耗片上存储系统设计

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1、V770978梗旦大学硕士学位论文32位微处理器的低功耗片上存储系统设计院系：微电子学系专业：姓名：指导教师：完成日期：学校代码：学号：微电予学与同体电子学顾沧海阂吴教授2005年5月lO日10246022021063摘要随着集成电路制造技术的发展，芯片的速度和集成度不断提高，功耗问题已经成为芯片设计的关键因素之一，因此必须在芯片设计时特别考虑功耗因素。嵌入式微处理器是SOC系统中最核心的部分，其低功耗设计对降低整个系统的功耗意义重大。在微处理器中，功耗的60％以上部是来自片上存储系统，因此低功耗片上存储系统是实现低功耗微处理器

2、的关键。本文着重讨论了32位微处理器的片上存储系统(包括存储器管理单元(MMu)、高速缓存(Cache)、Cache控制器以及接口电路1的低功耗设计方法。在SMIC0．19umCMOS工艺下，本文设计了一个32位微处理器的片上存储系统，指令和数据MMU都拥有64路的TLB，指令和数据都采用8Kbytes的4路组相联Cache，采用两级页表的寻址方式实现地址转换。采用全定制的方法来设计TLB和Cache以达到高速、低功耗以及减小面积的目的。其余部分采用VerilogCode设计。64路全相联TLB采用CAM．SRAM的结构实现，同

3、时提出了改进的CAM单元电路，减小了CAM位线电平转换功耗：并且提出一种不降低TLB命中率而降低比较功耗的两级CAM结构实现比较操作，通过功耗模型分析选择每一级的CAM单元数，大大减少每次参加比较的CAM单元数；此外，还通过减小Match线上的电压摆幅的方法来进一步减小功耗，仿真表明本文CAM电路的功耗只有传统CAM结构的17％。采用高速电流灵敏放大器来加快SRAM的读出速度。4路组相联Cache采用了串行访问标识、数据的结构以节省数据读出时的功耗；采用动态比较器来减小地址比较功耗，加快比较速度，仿真表明本文的Cache功耗仅为

4、传统并行结构Cache的70％；并且为了方便测试，给Cache加入了BIST电路。在Cache控制器的设计中也采用了多种优化手段来提高访存性能降低功耗，包括：增加读、写缓冲器；使用LRU替换算法；指令Cache省略标识访问等。关键词：低功耗，MMU，Cache，TLB，CAM，SRAM．灵敏放大器，微处理器lIAbstractWi【hthedevelopmentofICf’abricationtechniques．thespeedandintegrityofthechipincreasegreatly,whichmakespow

5、erconsumptionbecomeoneofthekeyproblemsofchipdesign．Sopowerconsumptionshouldbeconsideredinchipdesign．EmbeddedmicroprocessoristhecoreofSystem—on-Chip，itslowpowerdesignisimportanttothewholesystem．Morethan60％energyiSconsumedbytheon．chipmemorysysteminmicroprocesso^sothede

6、signof10WpowerOn—chipmemorysystemiSoneofthemostimportantresearchareasInthispaper,wefocusonthedesignoflowpoweron-chipmemorysystemfincludingMMU，Cache，Cachecontrollerandtheirjnterface)，InSMIC0．18urnCMOStechnology,wedesignalowpoweron-chipmemorysystemwhichcontainstwo64ent

7、ryTLB(I—TLB，D—TLB)andtwo8Kbytes4wayset—associativeCache(I—Cache，D—Cache)．Full—customdesignmethodwasusedtodesigntheTLBandCachetoachievehighspeed．10Wpowerandsmallchipareaandtheotherpartswasdesignedwithverilogcode．TheCAM—SRAMarchitecturewasusedinthe64entryfull．associati

8、veTLB．TheCAMeellcircuitwasmodifiedtoreducethebitlinetransitionpower；Anewtwo．stageCAMcomparisonstructureWaSusedtosavepowerdissipatio