32位高性能DSP SIMD向量存儲器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證.pdf

1、DSP（Digital Signal Processor, DSP）是數(shù)字信號處理系統(tǒng)的核心與引擎。隨著集成電路工藝的發(fā)展以及芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，DSP的主頻越來越高，其中央處理單元計(jì)算能力的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了存儲器的性能增長，日益加劇的“存儲墻”問題嚴(yán)重制約著處理器性能的提升。如何開發(fā)更高層次的并行性進(jìn)一步提升微處理器性能成為高性能DSP設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。無線通信、圖像、視頻等媒體處理嵌入式應(yīng)用具有大量的數(shù)據(jù)級并行（DLP），采用SIM

2、D（Single Instruction stream Multiple Data streams）結(jié)構(gòu)開發(fā)其數(shù)據(jù)級并行已經(jīng)成為當(dāng)前高性能DSP體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向。如何為多寬度SIMD DSP中的多個(gè)運(yùn)算單元提供連續(xù)的高帶寬SIMD并行訪存數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)并行訪存沖突少、硬件開銷小的高效向量存儲器（Vector Memory, VM）成為設(shè)計(jì)中的重要問題。
　　M-DSP是我校自主研制的一款32位高性能多核DSP，具有自主設(shè)計(jì)的

3、指令集結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于通信技術(shù)、圖像處理等嵌入式系統(tǒng)。M-DSP的內(nèi)核采用11發(fā)射的超長指令字結(jié)構(gòu)，包含16個(gè)完全同構(gòu)的向量處理單元（Vector ProcessElement, VPE）。本文針對其訪存需求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了片上大容量SIMD結(jié)構(gòu)向量存儲器，實(shí)現(xiàn)了高帶寬、低沖突率的向量訪存指令和DMA的并行訪存操作。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1、針對典型的應(yīng)用和算法進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了VM的地址譯碼過程，使其支持非對齊訪

4、問；設(shè)計(jì)了一套支持多種尋址模式和訪存粒度的向量訪存指令，其中包含專門用于加速FFT算法的混洗訪存指令。
　　2、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩條向量指令訪存流水線和DMA訪存流水線，使向量存儲器支持兩路SIMD非對齊向量訪存指令、DMA讀和DMA寫共四路請求并行訪問。
　　3、設(shè)計(jì)了專用的向量長度寄存器，程序員可以通過配置該寄存器將不參與計(jì)算的VPE禁止，提供向量長度可變的SIMD訪存支持。
　　4、設(shè)計(jì)了專用DMA寫接口，該接口包含

5、8個(gè)相互獨(dú)立的寫通道，一次DMA訪問中的每個(gè)通道都可以訪問相應(yīng)地址范圍內(nèi)的任意地址。另外，專門設(shè)計(jì)了3條向量Store指令，通過配置VM內(nèi)部的寄存器副本控制DMA的配置寄存器，幫助程序員快速配置DMA。
　　5、使用某廠家40nm工藝庫對向量存儲器進(jìn)行綜合，并采用典型的時(shí)序優(yōu)化技巧對報(bào)告中的時(shí)序違反路徑進(jìn)行分析和優(yōu)化，使向量存儲器達(dá)到1GHz主頻；對向量存儲器的面積組成進(jìn)行分析，并找到面積最佳的存儲體組成方案。
　　6、基于