32位5級(jí)流水線(xiàn)嵌入式處理器設(shè)計(jì).pdf

1、嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域。在PC市場(chǎng)已趨于穩(wěn)定的今天，嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的發(fā)展速度卻正在加快。由于嵌入式系統(tǒng)所依托的軟硬件技術(shù)得到了快速發(fā)展，因此這幾年嵌入式系統(tǒng)自身獲得了快速發(fā)展。根據(jù)美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)雜志RTC報(bào)道，在21世紀(jì)初的10年中，全球嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)需求量具有比PC市場(chǎng)大10倍到100倍的商機(jī)。 隨著片上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)的不斷發(fā)展以及嵌入式系統(tǒng)對(duì)處理器處理能力的需求不斷提高，32位處理器IP核已經(jīng)被廣泛用于S

2、OC以及SOPC(硬件可配置SOC)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)當(dāng)中。 商業(yè)32位處理器軟核主要包括ARM公司的ARM系列，MIPS公司的MIPS32系列，Xilinx公司的MicroBlaze，Altera的Nios等等，因此32位嵌入式軟核的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是非常廣泛的。 隨著開(kāi)源軟件的蓬勃發(fā)展，開(kāi)源的處理器軟核也發(fā)展起來(lái)，由于開(kāi)源處理器軟核沒(méi)有任何授權(quán)費(fèi)用，因此開(kāi)源的處理器軟核越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視，OpenRisc1200和L

3、eon處理器軟核就是其中的代表，已經(jīng)有不少公司和機(jī)構(gòu)把開(kāi)源處理器軟核用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)以及嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，例如Vivace公司在他們新開(kāi)發(fā)的多媒體處理芯片中就采用了OpenRisc1200的軟核，而法國(guó)的Comsis公司在他們新的多輸入多輸出(MIMO)無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)解決方案中就采用了最新的Leon3處理器軟核。而且不少研究機(jī)構(gòu)也將開(kāi)源處理器軟核用于研究當(dāng)中，例如美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校就將Leon3應(yīng)用于他們新的多核計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究

4、項(xiàng)目RAMP當(dāng)中，美國(guó)麻省理工學(xué)院則在他們的一個(gè)單芯片安全處理器研究項(xiàng)目AEGIS中采用了OpenRisc軟核。 因此處理器軟核的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)有著重要研究?jī)r(jià)值與廣闊的應(yīng)用前景，而現(xiàn)在的嵌入式應(yīng)用對(duì)嵌入式處理器軟核提出更高的要求，需要嵌入式處理器具備高度的靈活性，可根據(jù)實(shí)際的需要實(shí)現(xiàn)可伸縮的配置，而且也需要處理器軟核在占用硬件資源盡可能少的情況下提高性能并保持低功耗。 1．2處理器軟核發(fā)展動(dòng)態(tài)： ARM公司開(kāi)發(fā)了很多

5、系列的ARM處理器內(nèi)核，ARM代表了低功耗高性能嵌入式處理器的最高水品，目前應(yīng)用的比較多的有ARM7系列，ARM9系列，ARM9E系列，ARM10系列，ARM11系列。ARM公司最近發(fā)布了最新的Cortex-A8TM處理器，Cortex-A8處理器是第一款基于下一代ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，使用了能夠帶來(lái)更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb-2技術(shù)。它首次采用了強(qiáng)大的NEONTM信號(hào)處理擴(kuò)展集，對(duì)H．264和MP3等媒體編解碼提供

6、加速。Correx-A8解決方案還包括Jazelle-RCT Java加速技術(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)(JIT)和動(dòng)態(tài)調(diào)適編譯(DAC)提供最優(yōu)化，同時(shí)減少內(nèi)存占用空間高達(dá)三倍。此外，新處理器還配置了用于安全交易和數(shù)字版權(quán)管理的TrustZone技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)低功耗管理的IEM功能。Cortex-A8處理器配置了先進(jìn)的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)流水線(xiàn)，能夠同時(shí)執(zhí)行多條指令。處理器集成了一個(gè)可調(diào)尺寸的二級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器，能夠同高速的16K或者32K一級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器一

7、起工作，從而達(dá)到最快的讀取速度和最大的吞吐量。Cortex-A8處理器使用了先進(jìn)的分支預(yù)測(cè)技術(shù)，并且具有專(zhuān)用的NEON整型和浮點(diǎn)型流水線(xiàn)進(jìn)行媒體和信號(hào)處理。在使用小于4平方毫米的硅片及低功耗的65納米工藝的情況下，Cortex-A8處理器的運(yùn)行速度將高于600MHz(不包括NEON，追蹤技術(shù)和二級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器)。在高性能的90納米和65納米工藝下，Cortex-A8處理器運(yùn)行速度最高可達(dá)到1GHz，從而滿(mǎn)足高性能消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要。

8、 開(kāi)源的32位處理器軟核Leon最新發(fā)布的版本為L(zhǎng)eon3，Leon3來(lái)源于歐洲航天局開(kāi)發(fā)的ERC32和Leon2，而ERC32和Leon2正被用于歐洲和國(guó)際空間項(xiàng)目中。Leon3基于SPARC V8指令集結(jié)構(gòu)，采用7級(jí)流水線(xiàn)，哈佛結(jié)構(gòu)。Leon3支持完整的SPARC V8指令集，包括乘法指令、乘加指令和除法指令，并提供了一個(gè)可選配的支持單精度和雙精度的IEEE-754浮點(diǎn)處理單元。Leon3提供了靈活的緩存系統(tǒng)，可支持1路至4路

9、組關(guān)聯(lián)，并可選擇LRU，LRR或隨機(jī)替換機(jī)制。Leon3支持同步多處理器配置(SMP)，提供了緩存一致性的硬件支持。Leon3在130納米工藝下，運(yùn)行速度可高于400MHz，如果綜合到FPGA，頻率也可高于100MHz。而Leon3FT則提供了很高的容錯(cuò)性，可適用于嚴(yán)酷的環(huán)境中，例如航天應(yīng)用。 XILINX公司最新推出性能優(yōu)化的MicroBlaze軟處理器5.00版。這款32位RISC內(nèi)核現(xiàn)可在Virtex-5 FPGA器件中提