Разработка методов анализа основных параметров функциональных устройств микропроцессоров на начальной стадии проектирования

• Автор: Ключников, Андрей Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 198 с. : ил.

Содержание
Содержание
Введение
1. Направления развития универсальных микропроцессоров
1.1. Методы повышения производительности микропроцессоров
1.2. Проблемы разработки новых микропроцессоров
1.3. Архитектура 1А-
1.4. Архитектура УЬШ и морфинг програмного кода
1.5. Микропроцессорная архитектура «Эльбрус»
1.6. Выводы
2. Методы оценки параметров микропроцессоров
2.1. Оценка площади кристалла микропроцессора
2.2. Оценка задержки на критическом пути
2.3. Оценка производительности микропроцессора
2.4. Выводы
3. Метод оценки площади кристалла микропроцессора
3.1. Обзор существующих методов оценки
3.2. Метод оценки площади функциональных устройств
микропроцессора
3.3. Система оценки основных параметров микропроцессоров
3.4. Структура системы оценки основных параметров микропроцессора
3.5. Структура базы данных
3.6. Расчет площади микропроцессора на разной технологии
производства, напряжении питания и при любой допустимой тактовой частоте
3.7. Зависимость площади функциональных устройств от технологии
производства
3.8. Сравнение площади функциональных устройств процессоров
3.9. Расчет площади функциональных устройств нового
микропроцессора
3.10. Точность метода оценки площади устройств микропроцессора
3.11. Разработка архитектурного плана микропроцессора
3.12. Выводы
4. Метод оценки задержки на критическом пути
4.1. Оценка качества функциональных схем
4.2. Расчет задержек логических элементов

4.3. Расчет задержки линии связи
4.4. Упрощенная модель расчета задержки линии связи
4.5. Уменьшение задержки линии связи
4.6. Предпосылки к разработке метода расчета задержек линии связи
4.7. Алгоритм расчета задержки распространения сигнала на начальной
стадии проектирования
4.8. Точность метода оценки задержки на критических путях
4.9. Выводы
5. Метод расчета производительности
5.1. Способы оценки производительности микропроцессоров
5.2. Симуляторы для оценки производительности микроархитектур
5.3. Единицы измерения производительности модели процессора
5.4. Набор тестов для измерения производительности
5.5. Моделирование устройств микропроцессора
5.5.1.Функциональные устройства современного микропроцессора
5.5.2.Подсистема памяти микропроцессора
5.5.3.Разработка подсистемы памяти с высокой пропускной способностью
5.5.4.Использование «псевдо» портов для увеличения пропускной способности
5.5.5. Алгоритмы выборки запросов обращения в общую подсистему памяти
5.5.6.Способ сокращения количества портов в буфере промахов
5.5.7. Аппаратная реализация алгоритма упорядочивания команд обращения в память
5.5.8. Алгоритм перенаправления чтения на запись
5.8. Выводы
Заключение
Литература
Приложение 1. Текст программы на языке VBA
Введение
Актуальность темы
Конкуренция между производителями универсальных микропроцессоров (МП) приводит к созданию всё более дешевых и высокопроизводительных приборов за счет улучшения их архитектуры и усовершенствования технологии производства. На сегодняшний день можно выделить следующие основные направления развития современных микропроцессоров:
• Повышение тактовой частоты. Повышение тактовой частоты происходит за счет более совершенной технологии производства с меньшими проектными нормами; увеличения числа топологических слоев; более развитой схемотехники меньшей каскадности и с более совершенными транзисторами, а также более плотной компоновки функциональных устройств на кристалле.
• Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти. Возможные решения для увеличения пропускной способности подсистемы памяти включают: создание кэш-памяти одного или нескольких уровней, увеличение числа портов доступа к памяти для чтения и записи, повышение пропускной способности шины, а также увеличение количества шин передачи данных между процессором и памятью (между кэш- и основной памятью).
• Увеличение числа параллельно работающих исполнительных устройств. В каждом новом поколении микропроцессоров увеличивается число функциональных исполнительных устройств и улучшаются их характеристики, как временные (сокращение числа ступеней конвейера и уменьшение длительности каждой ступени), так и функциональные (введение бЖ-расширений, А СХ-расширений системы команд).
С усовершенствованием технологии производства уменьшаются размеры транзисторов, сокращается задержка, что позволяет повысить тактовую частоту микропроцессора, уменьшить его площадь, и, как следствие, понизить себестоимость изготовления кристалла. Сегодня сложность про-
и увеличивается время расчета параметров. Достичь абсолютной точности из модели процессора на абстрактном уровне невозможно.
Другой подход к оценке площади предложен в статье [15]. Автор этой статьи отказывается от оценки площади из описания процессора на уровне регистровых передач и предлагает метод для оценки мощности и площади из описания процессора в функциональном виде, то есть при помощи булевых функций. Для этого автор вводит модель площади, которая основывается на размере и количестве простых импликантов функции. Практическое применение такой методологии ограничено, так как нахождение всех простых импликантов функции требует большого объема вычислений.
В статье [13] автор получает модели площади и задержек, которые используют реальную информацию, получаемую из реализованных устройств процессора, и использует эту модель для оценки параметров нового процессора. Хотя точность метода достаточно высокая (когда выбран правильный набор устройств), требование того, что вся схема должна некоторым образом зависеть от технологии производства, а также проблема выбора устройств для реализации моделей делают эту методологию непривлекательной для практического применения.
Методы, предложенные в работах [14] и [11], используют SOP-представление (Sum of Products) функции и оценивают площадь, исходя из суммарного количества AND- и 0/?-элементов, необходимых для представления функций. Обычно реальное число логических элементов будет много меньше после произведенных оптимизаций.
В данной работе будет предложен метод оценки площади устройств процессора на основе данных, полученных из анализа существующих устройств МП, для которых известны необходимые параметры и которые разрабатывались на определенной технологии, тактовой частоте и напряжении питания для конкретного сегмента рынка.