64位高性能嵌入式CPU中系统协处理器的设计与实现.pdf

同济大学电子与信息工程学院硕士学位论文64位高性能嵌入式CPU中系统协处理器的设计与实现姓名：金钊申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：林正浩20070301摘要摘要系统协处理器（简称CPO）是 MIPS体系结构CPU中必需的一个单元模块.它通过一系列特权寄存器记录CPU当前所处的状态，提供指令正常执行所需的环境.它的最主要的功能是精确异常处理.此外，它实现操作模式的切换并协助完成虚实地址转换.单从硬件的角度而言，系统协处理器对指令集的作用就相当于操作系统对应用程序的作用一样.本文论述了一个兼容MIPS R4000指令集CPU中系统协处理器的设计与实现.本文重点论述了全定制的物理设计与实现、精确异常处理机制的设计与实现、虚实地址转换的设计.在 CPO单元的具体物理实现中，对控制部分采用标准单元设计而数据通道采用全定制设计，这种混合方法使得在保持电气性能要求的同时，有效地降低了设计的复杂度，减小了芯片面积并降低了功耗.设计中着重研究了数据通道部分的全定制电路设计和版图设计，设计中借助先进的EDA设计工具进行了电路仿真和版图验证.在精确异常处理机制的设计中，对精确异常处理流水线进行了优化.在保证了逻辑功能在优化前后一致的同时，使关键路径的时延较大减少.同时采用了以空间换时间的策略，优化了寄存器的写逻辑。

通过理论结合实践，本文实现了微处理器中系统协处理器单元电路和版图的设计，掌握了电路设计优化的有效方法，并采用全定制方法设计了 CPO单元数据通道的版图.关键词：系统协处理器，精确异常处理，流水线，全定制设计AbstractABSTRACTThe System Control Coprocessor(CPO)is an integral part of the MIPS CPU.By a scries of privileged registers,it can note the status of the CPU and supportsome privileged operations.Its most important function is to handle the exceptions.And its other functions include the operation mode switch and the translation ofvirtual address.From the view of hardwire,the CPO behaves like an operationsystem for an application program.The design of the CPO of a MIPS R4000 architecture CPU is presented in thispaper,including the full-custom physical design,the precise exception handlingdesign and the virtual address translating design.In the detailed physical design,standard cell design method was used in thecontrol unit and the foil-custom design method was used in the data path section.The emphasis was put on the full-custom circuit and layout design in the data pathsection of the CPO,to achieve better speed and lower power consuming.Authorsimulated circuit and verify layout in virtue of EDA tools.In the design of precise exception handling,the exception-handling pipeline hasbeen optimized and the delay of critical path was greatly shorted.And to optimizethe register updating method,there was trade-off between the die size and the speed.Key Words:System Control Coprocessor,Precise Exception Handling,Pipeline,Full-custom design学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。

学位论文作者签名：(12况7年3月口日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书指导教师签名:学位论文作者签名:年 月 日年 月 日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担学位论文作者签名：金泗7年3月/夕 日第1章绪论第 1章绪论1.1概述微电子技术是当代发展最快的技术之一，是电子信息产业的基础和心脏.微电子技术的发展，大大推动了航天航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术、网络技术及家用电器产业的迅猛发展微电子技术的发展和应用，几乎使现代战争成为信息战、电子战在我国，已经把电子信息产业列为国民经济的支柱性产业.如今，微电子技术已成为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志内.1948 年，Bell 实验室的 John Bardeen,Walter Brattain 和 William Shockley发明了晶体管口.1958年美国科学家Robert N.Noyce在一块硅片上做成了相移振荡器，该振荡器元件之间的连线不再是传统的导线，而是用了很薄的刻蚀获得的金属条，这便是世界上第一块集成电路【,1967年诞生了单片集成度在1000个晶体管以上的集成电路，集成电路由中小规模进入大规模时期。

2 0 世 纪 70年代以来，由于CMOS工艺的发展，尤其是高密度短沟道CMOS技术的发展,使得CMOS器件不仅具有很高的集成度，而且器件的工作速度达到甚至超过了E 电路的性能1977年，Micron公司的科学家在30mm2 的硅片上集成了 13万个晶体管，制作出了世界上第一块64Kbits的 D R A M,标志着集成电路跨入了超大规模（VLSI）时代1 3 集成电路微细加工的最小尺度每三年提高一个数量级，集成规模每三年增加4 倍.80年代，集成电路加工的最小尺度是微米级,9 0 年代初是亚微米（0 6 um1 P m）,现在是深亚微米（0.3 m 以下），0.13P m 工艺已成为产品的主导工艺，0.09 u m 工艺也正在逐步大规模的得到应用，最先进的微细加工工艺已达到65nm、45nm甚至更小在 2005年由信息产业部、财政部联合主办的电子信息产业发展基金“十五”成果汇报展示会上，信息产业部有关人士表示，十一五”期间，软件和集成电路继续列为电子发展基金投入主要领域，并将追加基金投入,经过不断的积累和开拓，中国半导体企业正在走上发展壮大之路中芯国际已跃居全球第4 大芯片代工厂，华虹NEC已成为全球第7 大芯片代工厂；大唐微电子等一批设计第 1章绪论企业正在向1 亿美元销售额的目标迈进；南通富士通、长电科技等封装测试企业都正在努力向世界先进水平靠拢。

面对发展迅速且潜力巨大的国内市场，目前国内企业的市场占有率尚不足20%可以说，中国企业有着巨大的发展空间跨国公司也在不断增强对中国市场的重视程度，目前已经有多家跨国半导体公司将亚太总部迁往国内或是在国内新设立了区域总部中国作为亚太地区最重要的半导体市场，跨国公司在这里可以找到难得的市场机遇.通过在中国设立合资独资企业或建立研发中心，跨国公司可以更好地融入到国内信息产业的发展当中，并分享其发展所带来的效益国内集成电路行业的蓬勃发展也得到了创业资本的极大关注.近几年先后有杭州士兰、江苏长电、中芯国际、华润上华 等 1 0 多家半导体企业在境内外上市.根据统计资料显示，2004年国内集成电路行业的风险投资总额达到4.24亿美元，主要集中在IC 设计领域，共有超过 3 0 家 IC设计企业获得总计3.53亿美元的投资，同时IC行业产业链的相关领域也受到了一定关注中国集成电路产业与市场充满商机，投资公司可以期待获得高额的回报.1.2本课题的研究背景王阳元院士曾指出，对于我国集成电路产业，应优先发展设计业，大力开发集成电路产品，重点建设芯片制造业，改善集成电路产业发展环境，加强自主创新能力微处理器的设计是芯片设计的核心，研究具有自主知识产权的CPU将促进我国芯片设计水平的提高，同时发展具有自主知识产权的“中国芯”关系到国家的安全，具有重要的战略意义。

因此，在我国发展有自主知识产权的 CPU已成为人们注目的焦点.倪光南院士从应用的角度把CPU分为主要的三类，即“x86 CPU”、“嵌入式CPU”和“其他高性能CPUx86 CPU是指PC用的CPU即 x86体系结构的C P U,主要是Intel公司的C P U,也包括AMD和威盛等公司与其兼容的C P U.嵌 入 式 C PU 是指应用于各种信息设备里的CPU,一般功能不太强、主要是以低价格、低功耗为特征，著 名的有ARM,MIPS等公司的C P U.其他高性能CPU是指应用于服务器和超级计算机中的高性能 C P U,例如 Alpha、UltraSparc.PowerPC 等等许多人希望能开发出有自主知识产权的x86 C P U,但目前要求我国这样做是不合适的：一、技术基础障碍和困难我国因在IC设计环境、设计工具、设2第 1章绪论计人才和芯片制造工艺等方面尚需大力培育，设计出高性能高端的CPU需要一个过程.我们应当利用有限的资源，在发展中低端IC产品以获取经济效益的同时，注重建立IC产业的技术和人才基础，为今后的发展打下良好的基础提供全方位的支持来大办IC 设计人才的教育和培训是保持高速发展的最重要的一环；二、知识产权障碍和困难.这里牵涉到某些专利，想绕过这些专利是非常困难的；三、INTEIVAMD市场垄断的障碍和困难，INTEL和 AM D已形成对x86架构CPU的市场垄断.因此，发展嵌入式CPU应成为突破口，它的有利条件有：一、信息设备种类众多，每类中的各种新产品也层出不穷，与高度标准化的PC中只有Wintel一种结构完全不同，信息设备产品的这种特点使大公司很难垄断，我们容易找到自己的发展空间；二、芯片设计技术、E D A 工具已有很大发展，可将一个完整的系统集成在一个芯片上，称为单芯片系统，即 SOqSystem On a Chip）.这一技术使开发速度大大加快，我们直接掌握SOC技术就可以实现跨越式发展，不必走国外公司已走过的老路；三、与嵌入式CPU配套的软件，从嵌入式 OS（包 括 Linux和其他自主OS）到在它上面运行的应用程序，不 像 PC的软件那样受到微软垄断的影响，完全可以由我国公司自主开发；四。