Высокопроизводительные RISC-микропроцессоры для встраиваемых применений с оптимизированной структурой конвейера команд

• Автор: Осипенко, Павел Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Содержание
Введение.

Глава 1. Анализ методов снижения энергопотребления цифровых КМОП СБИС

1.1. Сравнение влияния качества схемотехнических решений современных микропроцессоров на энергопотребление.

1.2. Методы снижения энергопотребления в цифровых схемах.

1.3. Снижение напряжения питания и уменьшение проектных норм.

1.4. Динамическое управление частотой и напряжением питания

1.5. Включение дополнительных тактов останова в конвейер.

1.6. Использование нескольких напряжений в одном кристалле.

1.7. Применение технологии кремний на изоляторе

1.8. Метод селективного отключения синхросигнала.

1.9. Использование средств САПР
1 Выводы, постановка задачи
Глава 2. Эффективность отключения блоков в тактах останова для
микропроцессоров, ориентированных на встроенные применения
2.1. Анализ типовой задачи для встраиваемых применений.
2.2. Исследование структуры энергопотребления 1ШС микропроцессора для встраиваемых применений.
2.3. Оценка эффективности отключения блоков для типовых режимов работы микропроцессора.
2.4. Система моделирования для исследования логической модели микропроцессора.
2.5. Оценка эффективности селективного отключения блоков микропроцессора.
2.6. Методика оценки эффективности селективного отключения блоков микропроцессора.
2.7. Выводы
Глава 3. Оптимизация структуры конвейера с целью уменьшения
ПАРАМЕТРА ЭЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕПРОИЗВОДИТЕЛЫЮСТЬ.
3.1. Анализ возможности реализации отключения неиспользуемых блоков без снижения производительности в рамках существующего конвейера.
3.2. Анализ вариантов оптимизации структуры конвейера исследуемого микропроцессора на примере К
3.3. Анализ структуры конвейера 1ШСмикропроцессора на примере ШТ1Ш
3.4. Методика структурной оптимизации конвейера команд.
3.5. Выводы
Глава 4. Применение разработанных методик при проектировании 1ШС
МИКРОПРОЦЕССОРА К2 С УМЕНЬШЕННЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ
ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ.
4.1. Применение методики оценки эффективности селективного отключения блоков микропроцессора при проектировании микропроцессора К2
4.2. Применение методики структурной оптимизации конвейера команд при проектировании микропроцессора К2
4.3. Комплекс структурных и схемотехнических решений, позволяющий оптимизировать структуру конвейера с целью уменьшения параметра энергопотреблсниспроизводителыюсть.
4.4. Выводы.
Глава 5. Разработка и исследование микропроцессора с
оптимизированной структурой конвейера.
5.1. Структура оптимизированного конвейера с учетом предложений по оптимизации структуры конвейера.
5.2. Основные характеристики микропроцессора с оптимизированной структурой конвейера
5.3. Стенд для исследования микропроцессоров К1 и К2. Результаты измерений энергопотребления.
5.4. Сравнение энергопотребления наиболее близких аналогов Iмикропроцессора К2
5.5. Выводы
Заключение. Основные результаты диссертации.
Литература


Девятая международная научнотехническая конференция ПЭМ Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектропик г. Пятая научнотехническая конференция Элементная база Проблемы обеспечения ракетнокосмической отрасли высококачественной элементной базой г. Научная сессия МИФИ, г. По результатам диссертации опубликовано работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 3 наименований. Содержание диссертации изложено на 5 страницах, включая рисунки, графики и таблицы. В первой главе предложен механизм сравнения качества схемотехнических решений для СБИС микропроцессоров с точки зрения энергопотребления и дано сравнение лучших отечественных и зарубежных образцов. Проведн анализ источников рассеивания энергии в КМОП СБИС, выделены параметры, определяющие величину энергопотребления, рассмотрен 1,1 основные методы, применяемые для снижения энергопотребления, и обоснована перспективность исследования метода селективного отключения неиспользуемых блоков и необходимость оптимизации конвейера команд для схем микропроцессоров. Во второй главе на основе анализа технических требований, предъявляемых к ШБСпроцессорам для встраиваемых применений и опыта их использования в системах различного назначения, выполнен синтез типовой задачи, решаемой ШБСпроцессорами и, соответственно, типовой системы, необходимой для решения этой задачи. Типовая система определяет требования к логической модели проектируемого процессора, для исследования которой разработана система моделирования, обеспечивающая анализ режимов работы и степени загрузки каждого из функциональных узлов проектируемого микропроцессора на ранней стадии разработки. Результаты исследования структуры энергопотребления и оценки эффективности отключения неиспользуемых блоков позволили разработать методику анализа и повышения эффективности отключения неиспользуемых блоков микропроцессора. В третьей главе, на основе исследования вариантов организации конвейеров команд в отечественных и зарубежных образцах ШБС микропроцессоров, определены принципы проектирования, обоснована и разработана методика структурной оптимизации конвейера команд. В четвртой главе показано применение разработанных методик на примере проектирования новой модели ЮБС микропроцессора, в результате чего предложены структурные и схемотехнические решения, позволяющие реализовать схему отключения неиспользованных блоков при сохранении производительности и оптимизировать схему управления конвейером команд. В пятой главе исследованы характеристики разработанного КБСмикропроцсссора К2, в котором реализованы предложенные решения, проведено сравнение показателей энергопотребления и производительности с аналогичными микропроцессорными СБИС. В заключении сформулированы основные результаты работы, предложения и рекомендации по проектированию СБИС класса ШБС микропроцессоров для встраиваемых применений. Глава 1. Энергопотребление любой СБИС зависит от многих параметров, часть из которых задается в качестве входных данных и не зависит от разработчика СБИС. В качестве примера таких параметров можно привести напряжение питания, технологию изготовления, функциональный состав проектируемой СБИС. С другой стороны, энергопотребление микросхемы сильно зависит от качества схемотехнических решений, которое полностью определяется опытом и квалификацией разработчика. Приступая к разработке СБИС, ориентированной на пониженное энергопотребление, полезно оценить качество схемотехнических решений, используемых в отечественных микропроцессорах, сравнить их с характеристики с характеристиками, реализованными в аналогичных зарубежных СБИС. Такое сравнение достаточно легко сделать, если сравниваемые СБИС имеют одинаковые или близкие основные характеристики, такие, как напряжение питания, рабочая частота, функциональная сложность, технология изготовления. Чтобы сравнивать качество схемотехнических решений в СБИС, отличающихся по ряду основных параметров, необходимо провести оценку энергопотребления КМОП схем. Существует два механизма рассеивания энергии в КМОП схемах статический и динамический.