【毕业学位论文】基于ADL 的ASIP 系统级综合方法研究

目录1 绪论. 应用背景. 势及研究意义. 国内外研究现状及发展趋势. 研究目标及主要研究内容.究目标.究内容. 论文组织. 传统设计方法. 软硬件协同设计方法. 系统级设计方法. 设计方法对比. 本章小结. 处理器概述. 本介绍. 典结构.标准结构.本结构. 级流水线分析. 令系统.令格式.令分类及寻址方式. 本章小结. 相关背景介绍. 行为 系结构资源的描述. 结构 系结构资源的实现. 体系结构描述语言 .述语言的探索.言. 统级述. 本章小结. 综合工具 .译器介绍.译器工作流程. 件综合的实现. 系统的验证与下载. 本章小结.论与展望. 结论. 展望.论以应用为中心，计算机技术作为基础，其软硬件可裁剪的适应应用系统对功能、性能、成本、可靠性等多方面要求的一种专用的计算机系统。当今在嵌入式系统中应用 前随着 32 位嵌入式处理器所占市场比例的提高，由 8 位微控制器主导的微处理器正日益淡出市场，一方面因为各种多媒体、通信设备和信息家电等复杂系统都需要更高性能要求的嵌入式处理器来实现；另一方面，随着微电子技术的发展，32 位高端嵌入式处理器的成本不断下降，其开发环境也日趋成熟。32位嵌入式系统通常可以分为硬件和软件两大部分，其中硬件部分以嵌入式处理器为中心，配置存储器、I/讯模块等必要的外围硬件；软件部分包括设备驱动、操作系统和应用程序等。随着开发对象复杂度的提高，系统的设计须由一个团队来分工合作完成，开发形式为软硬件协同设计方式，同时也抛弃了效率低下的汇编语言，而越来越多地使用C/C+等高级程序语言。随着嵌入式应用的飞速发展，作为软硬件高度结合的嵌入式系统硬件环境之间差异逐渐增大。当前以交叉开发方式为主，并过多的依赖于硬件平台，再加上软件的开发与硬件环境的构造的影响，导致定位存在错误，不能及时完成软件功能调试和性能测试，软件质量低、开发进度慢，嵌入式系统的开发效率在很大程度上受到开发工具的集成度和可用性的影响，促使了嵌入式系统开发工具的市场需求。单个芯片上可以集成越来越多的晶体管，片上系统 计成为芯片设计的一个重要研究领域。在整个 计中，专用指令集处理器1则是一个重要模块，它是一种新型的具有处理器结构的芯片，具有可订制特性，它为某个或某一类型应用而专门设计，能够更高效的解决嵌入式系统设计中的实际问题。 多公司都推出了些产品的特点都是在高可配置的处理器核基础上，能针对特定应用进行优化，同时提供完备的开发工具的支持，如可重定向编译器、功能单元自动产生器等加速开发过程。设计者根据系统设计的速度、功耗、成本、灵活性等多个方面的设计约束，可以定制而适应嵌入式系统的需要，也正是由于自身设计采用专门定制的方法，使其具有多方面权衡和可调整能力，与专用集成电路的最主要的优点是面向某一个具体的应用，能够实现最优的系统平衡（性能、功耗、成本等），灵活性主要体现在根据应用特征，能够对基准的处理器进行适当的定制，去除某些无关的处理逻辑，并增加能有明显提高应用性能的特殊功能单元（最大限度的利用有限的硬件资源。广泛应用于嵌入式系统中，它很好地解决了通用处理器 嵌入式系统中性能不高和功耗过大的问题，以及发难度高的缺点。随着嵌入式系统应用领域的不断扩大，成为了目前学术界的研究热点。但设计人员在系统定制时往往受到芯片面积、上市时间（功耗等非功能性的约束，我们必须要找到一款合适的处理器体系结构，所以在设计的初期要针对特定应用进行设计空间搜索1,27,45,46（利用 目标结构进行描述并用硬件描述语言（进行硬件实现。传统设计方法中，以上工作需要手工完成，而且直接使用 致设计周期漫长。这里，作者探讨了一种基于 处理器指令集和微构架在1 绪论在此基础上研究系统级的综合，由快处理器的设计速度。在 20世纪八十年代，国外就展开了对 早的例子可能是1982年针对音频的应用。而国内则是刚刚起步，作者了解到国防科技大学、中国科学技术大学在这一课题上已取得初步进展，但与然目前现在还没有成熟通用的系统设计流程和开发工具，设计上更多的依靠系统设计人员的经验。研究 年来成为学术界研究的重点和热点。随着对 传统的设计方法、到基于 到基于软硬件协同的设计以及基于平台的设计方法。从大的方面来说，4主要需要解决两个关键问题，一是如何面向具体的应用生成最优的系统体系结构，二是为定制的 且充分验证工具链的正确性。在应用需求迅速发展的趋势下，对产品上市时间的要求越来越高，传统的设计方法在系统规范阶段、硬件/软件设计阶段和整合测试阶段暴露出了软硬件的开发过程割裂、设计自动化层次低、周期长、缺乏对设计重用的支持等问题；设计重用是基于随着带来了口、电气特性等复杂、难于理解等缺点；软硬件协同的设计方法则存在一个软硬件划分的传统难题；基于平台的设计方法，目前只提出了一种理论上的概念框架，并没有完整的设计环境和支撑工具的支持，且难于建立相对稳定又有充分灵活性的设计框架。在嵌入式应用领域，应用的需求多种多样，并且变化频繁。应用即使做一次小规模的改动，中很大一部分的工作需要系统设计人员手工完成，大大增加了系统开发时间。在 何快速有效的提供面向应用领域的系统解决方案是亟待解决的问题，也是几年来学术界研究的热点和难点问题。此外，目前的5另一方面，针对 然也存在一些设计环境，但总体而言没有从整体系统的层面提供易用、快速和可评估的设计方法和环境。1 究目标课题面向语义级28描述，并从系统建模的角度出发，将语义层的概念引入究基于体系结构描述语言的形式化表示，构造 讨语义级行为模型与目的研究目标是基于形式化描述，建立面向应用的 构建可重定向、可执行的 解传统 明显降低目标体系结构搜索的代价。究内容专用指令集处理器 有可定制可裁剪以及灵活性的特点，在其二者之间找到一个很好的平衡点。但我们不能只看到这一优势，同时它的缺点也是不容忽视的，在于它需要根据具体的应用而去专门的设计，因而市场生存周期 力紧凑。并且目前的 计方法不能提供方便快捷、可评估性的工具软件，导致不能够保证正确快速的获得设计结果。因此虽然 是它仍然让广大的设计人员可望而不可即，难以被广大的嵌入式系统设计人员接受。笔者对国内外有关 探索也做了大量研究，很多研究项目针对的主题只是与之有关的某个局部，设计方法难以统一化，同时对于某些设计环境，其设计目标也作了相应的限定，缩小了范围以致对多种应用适应度有限制性，并且主要靠经验来决策设计步骤，设计的自动化程度不高。对此本文提出一种基于 统级设计流程，并以一款 32 位嵌入式软核为处理器设计原型。该设计方式是基于 究 理器的系统级综合，以及如何在 译器环境下实现 后将综合后生成的 述在嵌入式逻辑分析仪境中进行验证继而下载到发板中。本课题的主要研究内容主要体现在以下几个方面：(1) 系统级综合，主要任务是根据目标系统实现的软硬件平台，从而达到自动生成系统实现的目的。先分离功能描述和实现平台的描述，再以显式地映射或绑定为基础对功能与结构的依赖进行描述。综合实现重要的基础就是功能模型和实现平台模型的形式1 绪论2) 言通过扩展C+类库能支持对系统硬件结构的描述，并且能对寄存器级到系统级等实现高层次抽象。本文采用 目标系统的行为和结构进行系统级描述，利用相应映射机制实现到自动转换。(3) 核的研究是一个大工程，从体系结构角度要分析其构架，特别是有其庞大的指令集系统，这一切都是比较复杂的工作量。文组织本论文共分六章，各章的组织如下:第一章：绪论，首先介绍了课题研究背景，包括 着分析了国内外研究现状及发展趋势，最后提出了本文的研究目标、主要研究内容和论文组织结构。第二章：计方法的研究，对过传统设计流程分析传统设计方法的不足之处，继而再提出系统级的设计方法，最后将传统设计方法与系统级设计方法进行对比，得出系统级设计方法的优势性。第三章：核的介绍，从体系结构的角度，对先介绍了 着重点讲解了其 后从令集入手，深度解析了其四章： 统级描述的研究，介绍了国内外一些主流的 将行为层和结构层展开，重点论述了本文所采用的体系结构描述语言 五章： 件综合的实现，完成对 硬件综合，通过 描述映射成 描述，然后再在 过嵌入式逻辑分析仪后下载到开发板 观察实验结果。第六章：结论，总结全文，对本文的主要研究进行总结归纳，并提出了今后的进一步研究工作与方向。2计方法研究62 侧重点有了明显的变化：后期对自动化的支持变得相对的成熟，设计人员更多关注的是设计过程早期的更抽象的阶段；从另一个方面来看，随着系统复杂程度快速地提高以及设计约束的加强，专门的设计和优化技术日益增加，以致对完整的设计方法和设计环境的需求变得更加迫切。基于此种原因，本文分析当今流行的嵌入式系统设计方法，主要比较了 统设计方法与系统级设计方法的特点，从而提出了我们的 统设计方法在系统最初规范阶段，设计人员将系统当做一个整体研究，不划分硬件和软件，利用嵌入式系统规范语言描述系统整体的行为，最终系统被划分为软件与硬件子系统；在软硬件的设计阶段，设计软件和硬件的工程师分别独立的设计和调试各自的子系统。嵌入式系统硬件的设计流程从上到下的划分是：行为层、体系结构层、逻辑层和电路层等不同的层次，对于这每一层设计人员分别要完成设计输入和模拟，同时要根据设计约束条件来进行评测。整个设计过程中还包括对固件的设计，低层次软件的开发并向高层次软件提供相应的接口。在最后的测试阶段我们要将起初分离设计的软硬件结合起来，当做一个整体进行测试。从理论上来讲，此阶段的时间开销应该是最短的，但往往在实践的过程中，大多数的错误都出现在本阶段。由于设计人员对软硬件接口定义的理解偏差，系统规范的无效以及未及时更改，还有就是无效的系统性能模型等都会造成错误。统设计方法4,5,27在设计流程的不同阶段都是由手工完成的，首先由设计人员根据设计约束对应用进行分析，从而决定此处理器的体系结构和指令集，接下来就进行设计的软硬件分工：（1）软件设计，根据设计人员决定的处理器体系结构和指令集设来计相应的软件工具，完成软件层的编译与仿真。（2）硬件设计，硬件设计者针对目标体系结构和指令集使用硬件描述语言实现硬件的设计。显而易见，软件工具的设计与处理器硬件的实现是完全分开的，两者是完全独立的，不存在软硬件协同设计的思想。2硬件协同设计方法嵌入式系统的设计从根本上来讲是一个软件硬件协同设计的过程。软硬件协同设计实质就是对系统中的软硬件部分使用统一的描述和工具进行集成开发，可完成全系统的设计验证并跨越硬件界面进行系统优化。对于传统的设计方法，软硬件起初是分开独立的，在硬件投片完成之后才能进行最终的集成。存在错误的设计，在软件中不能纠正，那么只能通过修改硬件和重新投片来解决，从而严重影响了系统投放市场的时间，设计成本也相应提高了。为此软硬件协同设计的方法应运而生并且获得了越来越多的重视。软硬件协同设计的流程大致为以下三个阶段：(1) 软硬件的协同规范。设计者首先要使用规范语言描述目标系统，必须以设计需求为基础，描述完后形成可执行的规范。规范语言把目标系统描述为一个集合，这个集合包含通讯和并发执行过程，这些过程在接受到特定消息后会被触发从而执行操作，并且还需要全局优化这些过程。(2) 软硬件的协同综合。各功能模块被设计人员进行软硬件的划分与调度，以此确定目标系统结构并分别综合软硬件，从而生成最后的代码。软硬件划分是本阶段最为重要的工作，优化系统功能并将其分布到软硬件组件2计方法研究8中。这里软硬件的划分方式有2 种：水平划分和垂直划分。应用相关处理器(系结构的设计对应于水平划分，标准处理器3) 软硬件协同模拟和评估阶段。协同模拟综合后的代码，并对其进行评测，主要是检查是否符合设计约束。这里我们需要利用软件编译器以及硬件综合工具单独的综合每个过程，之后在目标系统模拟器上评测。综上所述，嵌入式系统软硬件协同设计流程归结为下图 入式系统软硬件协同设计流程软硬件协同设计方法中的多项任务都与系统级设计方法所要求的任务相类似，因此在下一节中，我们会对其中部分内容作更进一步的阐述。统级设计方法嵌入式系统的设计是一个由高抽象级到低抽象级的逐层实现的过程，每一层都会涉及到描述、验证以及到下一层的转换(综合)问题。系统级包含硬件和软件等多种实现，与 能实现对微处理器、专用集成电路、可编程逻辑和存储器等等的高层次抽象，因此系统级设计方法包括：与该层次相关的各种描述、验证以及综合技术。本文把它们称为系统级描述、系统级综合和系统级验证三类：(1) 系统级描述：与软硬件协同设计中的软硬件统一描述完全一致，它是在与实现无关的抽象层次上描述整个系统的行为，分析和验证系统，为以后的设计提供了基础。(2) 系统级综合：软硬件协同设计的初期其主要任务是将一个固定的系统体系结构2计方法研究9系统功能划分为软件实现部分和硬件实现部分，划分结果要达到一个最佳平衡点，力求提高速度、缩小面积、降低成本与功耗。目前业界一般所采用的系统级综合方法是：先将系统功能的行为描述和系统实现的体系结构描述进行分离，从而可以在不同的体系结构上实现同一个系统功能，再通过相应的映射机制，快速生成与具体系统结构相关的系统实现，然后通过系统评估，分析系统性能，最终得到所期望的优化结果。(3) 系统级验证:随着设计复杂度的日益增大，系统级验证已变得更加困难，作为整个设计过程中的瓶颈，验证所花的时间和精力己占整个设计过程时间的 70%，确切的讲，系统级验证的内容和目标与其他层次的验证不存在太大的差别，但是系统级要完成设计空间探索的任务，从而要求系统级验证的效率必须要高。系统级设计是把一个应用当作为一个并行的通信任务系统，同时它也是整个嵌入式系统设计流程中一个重要环节。系统级设计分为行为层设计和结构层设计，系统实现的目标通过行为层来规定，而目标的实现则由结构层（软件和硬件）来说明。一个完整的系统的组成是由行为映射到结构的映射。在实现映射之后，分成两部分：利用软件实现一部分系统的功能(行为)，通过硬件实现另一部分系统的功能（结构）。在系统级设计方法学中，系统描述占据了非常重要的位置，选择什么样的系统描述语言会影响甚至决定综合和验证方面的具体技术。一个系统描述语言，相当于一个具体的设计开发平台。本系统设计采用，欧美的相关企业一直在支持过扩充类库可以添加定制的计算模型、设计库和建模准则。能够实现多种抽象层次的描述建模，特别是事务级建模(事务级模型分离了系统构件间的具体通信细节和系统构件，简言之就是简化具体通信细节，变成为抽象接口方法的调用，因此模拟速度得到了很大程度地优化，有益于早期的系统架构的搜索，很好地进行嵌入式软件的调试。针对传统设计方法的不足，本文提出了一种基于系统级描述语言计流程27先针对一组特定应用以及设计约束27,49析得到初始的目标体系结构，然后对目标体系结构进行 述，通过发平台自动地生成相应的软件工具（包括编译器、仿真器、连接器等）以及处理器的 后分别在软件和硬件这两个方面进行评测，看是否符合设计约束要求；如果不符合设计约束要求，设计人员对目标体系结构的 述进行相应地修改，再通过开发平台完成软件工具和硬件描述的生成并再对其进行测评，直到满足设计约束要求为止。2计方法对比综上所述，传统设计方法存在一定局限性，在电子系统设计迅速发展的趋势下，传统设计方法有着多方面的不足1,35,36：（1）软硬件的开发过程各自独立，缺乏联系与沟通，随着嵌入式系统设计复杂性的提高，这种设计方法不存在软硬件协同设计思想，从而导致设计效率低下。（2）串行化的设计方式无形地增加了设计周期。传统设计方式主要采用了先硬件后软件的设计模式，这种串行化方式不能充分及时地验证全系统，从而导致设计失误增加，设计过程延迟。（3）设计自动化层次低。传统设计方法在设计流程的不同阶段都是手工完成的，大规模的设计超出了设计人员的思维能力，整体协作又需要建立良好的协调沟通机制，从而导致设计效率低。（4）缺乏对设计重用的支持。日益复杂的入式软件开发成为传统方法的负担。与传统设计方法相比，基于1）以体系结构描述语言为核心描述目标体系，包括处理器的指令集和微构架，2计方法研究11作为软件工具开发和硬件设计的共同设计描述。（2）支持言的开发平台成硬件述，很大程度上减少了开发的时间。若是直接使用言对处理器结构进行手工描述，在设计的过程中设计人员需要考虑比较多的细节问题，这样时间开销就比较大。（3）探索符合设计约束条件的目标体系结构的过程贯穿在整个开发流程中，如果某个目标结构的测评数据不符合我们的设计约束，那么我们只需要修改相应的 述即可，然后就可以快速地生成新的 样开发效率有了很大程度地提高。总而言之，系统级设计方法的核心17系统级描述语言，传统的设计语言并不适合用于算法级和行为级的描述，它是面向低抽象级的，比如 。从目前好的发展形式来看，基于C/C+的系统级描述语言从一定程度上来讲是目前比较好的一种技术手段，C/C+面向对象技术12对行为级进行高层次抽象，实现来嵌入式系统设计发展的方向将会是用面向对象的方法对嵌入式系统进行分析和设计。然而就目前嵌入式技术发展的情况来看，业界迫切需要一种新的设计方法学来指导新一代实时嵌入式系统的分析与开发，从而才能更好地发挥面向对象技术的优势。章小结本章主要围绕 别叙述了 点是系统级设计方法学的研究，得出系统级设计方法是较传统设计方法更具优势的设计方法。嵌入式系统的设计是一个由高抽象级到低抽象级的逐层实现过程，每一层都会涉及到描述、验证以及到下一层的转换（综合）问题，系统级是相对 含硬件和软件多种实现问题。在下面的章节中将会引入统级设计实现相关环境以及到86 系列和 列已经成为了桌面系统和嵌入式系统的最常用是它们的价格昂贵，技术保密，不适合作为我们解剖研究的对象。我们的目光转移到了开源的列，议的开放源代码处理器，其性能介于 合一般的嵌入式系统使用。最重要的一点是 P 核供研究人员使用，所以这里我们选择了简指令集计算机)微处理器47 是一种执行较少类型计算机指令、能够以更快的速度执行操作的微处理器。当然这里也要谈谈我们所熟知的 理器。复杂指令集，在20世纪90年代前被广泛的使用，其特点是通过存放在只读存储器中的微码来控制整个处理器的运行。一条指令往往可以完成一串运算的动作，但却需要多个时钟周期来执行。随着需求的不断增加，设计的指令集也越来越多，随着指令集的新增，计算机的体系结构也会变得更加复杂。然而，在们被使用的频率却相差很大，大约只有20的指令才会被反复使用，占整个程序代码的80，而剩下的80的指令却不经常使用，在程序设计中只占 20，显然，这种结构是不太合理的。为了改变此种局面，1980年美国的设计出了精简指令集处理器1）指令集的设计上，且指令和寻址方式较少而且简单，大多数指令在一个周期内就可以执行完毕；令类型也很多，一条指令通常要若干个周期才可以执行完。由于指令集多少与复杂度上的差异，这使得 样就易于流水线的实现。相对的，行流水线作业时存在较多的限制。（2）入/存储)的构架，只有载入和存3据处理指令只对寄存器的内容进行操作。为了加速程序的运算，且指定特殊用途的寄存器；而寄存器的要求则相对不高。指令数目只有几十条，可并行处理的能力却大大增加。比如 些1）大部分的指令操作都在寄存器之间完成，从而提高了处理速度；（2）水线以及常用的指令均可以用硬件来实现。（3）存级存储结构，很好地分开了取数和存数指令的执行，让处理器在同等的时间内完成更多的工作，提高了处理器的存取效率，并且处理速度不会受到存储器存取信息的影响。理器芯片的工作频率一般在 400钟频率和功耗较低，因而系统的可靠性得到了保证；同时 历过超长指令字把许多条指令连在一起，以此实现并行执行。能使每个机器周期内有多个操作，所以有些 理器中也采用少数3是 列 理器内核的一员。 免费、开源的 要应用于嵌入式便携和网络设备应用中，它可以运行任何一种现代操作系统。有哈弗体系结构，带有5级整数流水线，其执行特征包括虚拟内存支持、基本 能。外部数据总线和地址总线接口符合线标准。省的置是一条单通道直接映射的8据高速缓存，还有一条单通道直接映射的8个通道的尺寸是16字节的，并且两个缺省配置时使用的存储器管理单元是由基于一条单通道的直接映射的数据页表缓冲认配置情况下，辅助功能则包括高分辨率的 数器、实时调试的调试单元源管理单元和可编程中断控制器典型的应用情况下，主频率可以运行在300且它可以提供 了节省资源，实践中去掉了据和指令据和指令源管理单元 时器、元、可编程中断控制 及） 面的章节我们会详细介绍这5级流水操作的具体实现。（