一种高性能向量处理器的实现

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1、一种高性能向量处理器的实现TheImplementationofaHighPerformanceVectorProcessor学科专业：集成电路工程研究生：王捷指导教师：郭炜教授企业导师：王粟工程师天津大学电子信息工程学院二零一五年十一月中文摘要为了满足处理多媒体应用的需求，主流处理器厂商都在他们的通用处理器上增加了相应的扩展体系结构，用于提高多媒体性能。并提供了具有单指令多数据特点的指令集，简称为SIMD指令集。Altivec技术便是在PowerPC体系结构的通用处理器上通过扩展PowerPC指令集实现对多媒体处理技术的支持的浮点和定点SIMD技术。本文提出一个通过协处理器接口与主处理器紧耦

2、合相连的向量协处理器，研究了Altivec的顶层控制通路以及向量协处理器四个功能单元之一简单定点功能单元的设计与实现方法，并提出了一套完善的协处理器验证方案，包括基于SystemVerilog验证平台的软硬件功能单元验证、基于软硬件自动比对的顶层指令集验证和从高级语言角度入手的顶层函数库验证。整个验证方案具有较高的完备性、可重用性、可信度、效率和速度。在面积方面，采用硬件复用的方法以减少简单定点功能单元的面积。综合结果显示，采用硬件复用的方法设计的简单定点功能单元较不采用硬件复用设计相比，面积减少了53%。在速度方面，采用随机仿存指令队列及分布式保留站逻辑的动态调度方法处理真相关，基于指令之间

3、的数据相关性将操作数已准备好的指令发射到保留站，缓解因指令间数据相关对处理器性能的影响以及由于保留站资源不足对整个流水线的阻塞。实验结果表明，采用动态调度之后译码较直接译码相比，针对浮点类指令验证用例执行时间可以减少20.47%-25.93%，定点类指令验证用例执行时间可以减少5.65%-13.42%。关键词：单指令多数据；向量定点功能单元；硬件复用；乱序执行；验证方法；ABSTRACTInordertomeettheneedsofprocessingofmultimediaapplications,themainstreamprocessormanufacturershaveincrease

4、dtheircorrespondingextendedarchitecture,forimprovingtheperformanceofthemedia.Andprovidestheinstructionsetwithsingleinstructionmultipledatacharacteristics,referredtoasSIMDinstructionset.AltivectechnologyisageneralpurposeprocessorinthePowerPCarchitecture,whichisbasedontheextendedPowerPCinstructionset,

5、whichissupportedbythemultimediaprocessingtechnology.Inthispaper,avectorco-processor,whichiscloselycoupledtothemainprocessor,isproposed.ThedesignandimplementationoftheAltivectoplevelcontrolpathandthedesignandimplementationofasimplefixed-pointfunctionalunit,whichisoneofthefourfunctionalunitsofvectorco

6、-processorarestudied.ThehardwareandsoftwareverificationschemebasedonSystemVerilogverificationplatformispresented.Thewholeverificationschemehastheadvantagesofhighcompleteness,reusability,reliability,efficiencyandspeed.Inthearea,themethodofhardwarereuseisadoptedtoreducetheareaofthesimplefixedpointfunc

7、tionunit.Theresultsshowthatthehardwareareaofsimplefixedpointfunctionalunitdesignedbythemethodofhardwarereuseisreducedby53%comparedwiththedesignwithouthardwarereuse.Inspeed,thedynamicschedulingmethodba