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国防科学技术大学 硕士学位论文 FT-C55LP主机接口设计及系统级验证 姓名：杨国庆 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：孙永节 20090701 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 摘要 F T - C 5 5 L P 是一款高性能、低功耗1 6 位定点可编程数字信号处理器。采用先 进的超哈佛结构( 一条程序存储器总线、5 条数据存储器总线和6 条地址总线) 和 1 2 级的深度流水线技术，内核中设计了双乘累加器( M A C ) 和双算术运算单元 ( A L U ) ，支持2 条指令的并行处理，芯片内部集成了大容量的存储器和丰富的 外设，特别适合便携式产品的应用。 本人有幸参与了该处理器的研发工作，承担并完成了两部分研究工作，一是 F T - C 5 5 L P 主机接口的设计与验证；二是基于该主机接口的系统级验证平台的设计 和系统级验证。 本文首先对F T C 5 5 L P 的体系结构、指令系统、流水线、数据流单元、地址产 生单元及程序控制单元等进行了分析和研究，为设计基于主机接口的系统级验证 平台，有效进行系统级验证奠定了基础。 分析研究了目前国际上几大主要厂商D S P 产品中主机接口的特点，根据 F T C 5 5 L P 的需求，设计实现了其主机接口E H P I 。该接口为一1 6 位的增强型 主机接口，外部主机通过它可以直接访问F T - C 5 5 L P 的内部R A M 。为方便与各种 不同种类的主机进行对接，E H P I 提供复用和非复用两种模式来传输数据和地址， 复用模式提供一条总线传输地址和数据，而非复用模式提供分开的地址之和数据 总线。论文给出了该主机接口详细设计及全面的逻辑验证。 对于高性能微处理器的设计而言，验证是一项极具挑战性的工作，尤其是系 统级验证。开发一个高效、易用的系统级验证平台，对系统级验证的成功起着至 关重要的作用。作者设计了一个基于E H P I 的验证测试平台，用于F T C 5 5 L P 的系 统级验证。该平台由平台的核心部分和一些辅助工具组成。平台核心包括E H P I 接 口协议模型和初始化模型、存储器模型和中断模型等。辅助工具包括格式转换工 具、自动结果比较程序等。利用该验证平台，用户可以方便地运行测试向量，并 进行模拟结果的正确性判断。 利用该平台对F T C 5 5 L P 处理器进行了系统级验证。包括：初始化测试，指令 系统的测试，已有测试向量的测试等等。通过对验证结果的分析，修改设计再验 证，反复迭代使设计达到要求的功能。 主题词：数字信号处理器，体系结构，指令系统设计，流水线，主机接口， 系统级验证 第i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 A B S T R A C T F T C 5 5 L Pi s16 - b i tf i x p o i n tp r o g r a m m a b l ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rw i t hh i g h p e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e r I ta d o p t sa na d v a n c e ds u p e rH a r v a r da r c h i t e c t u r e ( w i t ho n e p r o g r a mm e m o r yb u s ，f i v ed a t am e m o r yb u s e s ，a n ds i xa d d r e s sb u s e s ) a n dt h e t e c h n o l o g yo fad e e pp i p e l i n ew i t h12l e v e l s T h eC P U i sd e s i g n e dw i t hM u l t i p l ya n d A c c u m u l a t e ( M A C ) a n dA r i t h m e t i ca n dL o g i cU n i t ( A L U ) I ts u p p o r t sp a r a l l e l p r o c e s s i n gf o r2i n s t r u c t i o n sa n dt h ei n n e rp a r to fc h i pi n t e g r a t e sah u g ec a p a c i t yo f m e m o r ya n dn u m e r o u sp e r i p h e r a l sa n d i ti s e s p e c i a l l ya p p l i e di nt h o s ep o r t a b l e p r o d u c t s F o r t u n a t e l y ，I ，a Sap a r t i c i p a n tf o rD S P Sr e s e a r c h ，u n d e r t a k et w op a r t so ft h i s r e s e a r c h ，n a m e l y ：t h ed e s i g na n dv e r i f i c a t i o no fF T - C 5 5 L Ph o s t - p o r ti n t e r f a c e ；t h e d e s i g nf o rs y s t e ml e v e lv e r i f i c a t i o nb a s e do nt h i sh o s ti n t e r f a c ea n dt h es y s t e ml e v e l v e r i f i c a t i o n F i r s to fa l l ，t h i sp a p e rh a sm a d ea i la n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ， i n s t r u c t i o ns y s t e m ，p i p e l i n e ，d a t as t r e a me l e m e n t ，a d d r e s sg e n e r a t i o nu n i ta n dp r o g r a m c o n t r o lu n i t ，l a y i n gaf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no fs y s t e ml e v e lv e r i f i c a t i o np l a t f o r m b a s e do nh o s ti n t e r f a c ea n de f f e c t i v es y s t e ml e v e lv e r i f i c a t i o n T I l i sp a p e rh a sm a d eas t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh o s ti n t e r f a c eo ft h e c u r r e n ti n t e r n a t i o n a lm a j o rm a n u f a c t u r e r s D S Pp r o d u c t sa n di t sh o s ti n t e r f a c e E H P I h a sb e e nd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e da c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fF T - C 5 5 L P T h i s i n t e r f a c ei sa16 一b i te n h a n c e dh o s ti n t e r f a c e T h ee x t e r n a lh o s tC a nd i r e c t l ya c c e s st h e R A Mi nF T C 5 5 L Pt h r o u g hi t I no r d e rt oc o n n e c t 、析t I ld i f f e r e n th o s t s ，E H P Ip r o v i d e s m u l t i p l e x i n gm o d ea n dn o n m u l t i p l e x e dm o d et o t r a n s f e rd a t aa n da d d r e s s T h e m u l t i p l e x i n gm o d ep r o v i d e sab u st r a n s p o r ta d d r e s sa n dd a t aw h i l et h en o n m u l t i p l e x e d m o d e p r o v i d e st h ed i v i d e da d d r e s s e sa n dd a t ab u s T h i sp a p e rh a sp r o v i d e dt h ed e t a i l e d d e s i g no ft h i sh o s ti n t e r f a c ea n do v e r a l ll o g i cv e r i f i c a t i o n A sf o r t h eh i g h p e r f o r m a n c em i c r o p r o c e s s o rd e s i g n ，v e r i f i c a t i o ni sah i g h l y c h a l l e n g i n gt a s k ，e s p e c i a l l yf o rt h es y s t e m l e v e lv e r i f i c a t i o n T od e v e l o pa ne f f e c t i v e a n de a s y - t o - u s es y s t e m - l e v e lv e r i f i c a t i o np l a t f o r mw i l lp l a yac r i t i c a lr o l ei nt h es u c c e s s o fs y s t e m l e v e lv e r i f i c a t i o n T h ea u t h o rh a sd e s i g n e dav e r i f i c a t i o na n dt e s tp l a t f o r m b a s e do nE H P If o rF T - C 5 5 L Ps y s t e m - l e v e lv e r i f i c a t i o n 1 1 1 i sp l a t f o r mc o n s i s t so fa k e r n e la n ds o m ea u x i l i a r yt o o l s T h i sk e r n e li n c l u d e sE H P Ii n t e r f a c ep r o t o c o lm o d e l ， i n i t i a l i z a t i o nm o d e l ，m e m o r ym o d e la n d i n t e r r u p tm o d e le t c T h ea u x i l i a r yt o o l si n c l u d e f o r m a tc o n v e r s i o nt o o l sa n da u t o m a t i cc o m p a r i s o np r o g r a m sf o rr e s u l t B yu s i n gt h i s v e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，t h eu s e r sC a nc o n v e n i e n t l yl U l lt h et e s tv e c t o r sa n dm a k eac o r r e c t j u d g m e n tf o rt h es i m u l a t i o nr e s u l t s W eh a Su t i l i z e dt h i sp l a t f o r mt oh a v eas y s t e ml e v e lv e r i f i c a t i o nf o rF T C 5 5 L P ， 第i i 页 K e yW 。r d s ：D i g i t a lS i g n a l P r o c e s s 。r ，A r c h i t e c t u r e ，I n s t r u c t i 。n s y s t e mD e s i 乳 P i p e l i n e ，H P I ，S y s t e m - l e v e lV e r i f i c a t i o n 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表2 1 绝对寻址1 1 表2 2 直接寻址1 2 表2 3 取指流水线各站的描述2 2 表2 4 执行流水线各站的描述2 3 表3 1E H P I 与主机的接口功能描述3 0 表3 2 主机接口内部寄存器的主要功能3 4 表3 3H P I C 控制寄存器位。3 5 表3 4HH P I 的接口信号表3 8 表3 5E H P I 和D M A 的接口信号表。3 9 表3 6H P I C 的输出信号表4 0 表3 7 复用模式下H C N T L 0 1 选择周期类型4 2 表3 8 非复用模式下H C N T L 0 和H R W 来选择周期类型4 2 表5 1 测试结果7 5 第1 V 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 图2 图2 图2 图2 1 0 图2 1 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 。1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图目录 典型系统级模拟结构示意图6 F T C 5 5 L P 指令的基本格式8 F T C 5 5 L P 总体结构图1 4 F T C 5 5 L P 的外部存储器地址映射1 6 C P U 整体框图1 7 取指缓冲单元1 7 地址数据流单元( AU ) 框图1 8 程序流单元( PU ) 框图19 数据计算单元( DU ) 框图2 0 F T 。C 5 5 L P 的取指流水线2 2 F T - C 5 5 L P 的取指流水线2 3 流水线的基本结构2 4 标准H P I 功能框图一2 6 E H P I 的结构及外围连接图2 8 D M A 控制器结构框图3 1 耶I 访问配置3 2 肿I 可访问的存储空间3 3 复位与加载过程3 6 E H P I 的模块划分3 7 HH P I 的接口信号图3 8 HD M A 的接口信号图3 9 HH P I C 的接口信号图4 0 E H P I 选通和选择逻辑( 无H A S ) 4 1 E H P I 选通和选择逻辑( 有H A S ) 4 l 数据锁存电路4 2 同步化电路4 3 H P I D 寄存器时钟产生的逻辑框图4 4 H P I 控制状态机状态跳转图4 5 E H P I 通道4 7 E H P I 访存的旁路机制4 8 中断和复位逻辑实现4 8 复位过程模拟结果4 9 第V 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 非自增模式下读写操作5 0 自动增量读操作5 l 自动增量写操作5 1 中断模拟结果。5 2 测试平台结构一5 5 F I C 5 5 L P 验证结果比较方案5 7 系统级验证平台的整体结构5 8 基于E H P I 验证平台结构5 9 主机控制模型状态机6 0 测试的整个流程6 6 部分引脚和总线初始化结果7 1 数据寄存器的初始化结果7 1 主要状态控制寄存器初始化结果7 2 H P I 的加载过程7 3 复位后C P U 的操作7 3 加载和执行7 4 程序执行结果7 4 第V I 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：里! 蔓5 鲨圭扭接巳煎遮让区丕统级验适 学位论文作者签名： 逝f 至! l 丘 日期： 护尹年争月，2 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：里! 篓! 望圭扭蕉里煎遮进丞丞统熟坠适 学位论支作者签名：塑睦f 璺盘 作者指导教师签 嗍：7 年蝴廖日 日期： 叶年4 月f 2 日 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 第一章引言 1 1 课题研究背景及意义 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术 应运而生并得到突飞猛进的发展。在过去3 0 多年的发展中，数字信号处理技术已 无处不在，成为当今电子系统的核心技术。随着微电子制造和生产技术的成熟， 数字信号处理器伴随数字处理技术的飞速发展也取得到了快速的发展，在各种实 时信号处理应用的推动下，性能得到大幅度提高，已广泛应用于军事、通信和科 研等领域。 我国是世界集成电路消费第一大国，然而集成电路产业却十分落后，像微处 理器、D S P 等高端产品几乎全部依赖进口，这不仅是经济上的巨大损失，更给国 家安全带来隐患。我国近年来非常重视在D S P 领域的投入，不断研制出满足各种 应用的D S P 芯片，但多数仍是采用反向设计的技术路线，研制效率低、可继承性 差，而且随着工艺尺寸的不断缩小，反向设计难度越来越大，采取自主正向的技 术路线，研发D S P 产品已经成为一条必由之路。在这样的大背景下，经过长期的 努力，突破多项技术难关，我们开始一款高性能、低功耗的嵌入式数字信号处理 器F T - C 5 5 L P 的研制。 本人主要承担了两部分研究工作，一是F T - C 5 5 L P 主机接口的设计与验证；二 是基于该主机接口的系统级验证平台的设计和系统级验证。 1 2 课题相关研究 1 2 1 数字信号处理器概述 D S P 的全称为D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s i n g ( 数字信号处理器) ，是一种特别适合 于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要的应用是实时快速的实现各种数字 信号处理算法，如F I R 滤波，I I R 滤波，自适应滤波，各种通信机制下的信号编解 码等等【l l 。D S P 芯片的应用领域有图像处理，语音处理，智能化仪表，生物医学与 工程，通信，自动控制系统等许多新技术领域。 1 、D S P 芯片的特点及发展趋势 D S P 系统以数字信号处理技术为基础，与模拟信号处理系统相比，具有以下 优点： 1 ) 接口简单、方便。由于数字信号的电气特性简单，不同的系统与D S P 芯片 相互连接时，在硬件接口上容易实现。在数据流接口上，不同系统之间只 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 要遵守特定标准的协议即可。 2 ) 精度高、稳定性好。数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响，处理 过程中不引入其它的噪声，因此具有较高的信噪比。 3 ) 编程方便，容易实现复杂的算法。在D S P 系统中，D S P 芯片提供了一个高 速的运算平台，系统功能依赖于软件编程实现。当其与现代数字信号理论 和计算数学完美相结合时，就可以实现复杂的信号处理功能。 4 ) 便于集成。现代D S P 芯片内部包含了C P U 单元外，还集成了各种外设电路 以及存储体。所以能够以I P 盒的方式方便的嵌入到更大的系统之中。 D S P 芯片的主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法，D S P 芯片结 构上的每一个特点，都是各种加速数字信号处理的算法的技术在设计中的体现。 典型的数字信号处理算法的特点，对于D S P 芯片结构的发展起了重要的影响作用。 D S P 芯片除了普通微处理器的高速运算和控制能力外，还针对高数据传输速率、 数值运算密度的实时数字信号处理，在体系结构、指令系统和指令流程上都做了 较大改动。其结构特点为： 1 ) 普遍采用改进的哈佛结构，即数据总线和程序总线相互分离，这使得处理 指令和处理数据可以同时进行，提高了处理效率； 2 ) D S P 芯片大多采用流水线和超流水技术，即每条指令的执行划分为取指、 译码、取数、执行等若干步骤，由片内多个功能单元分别完成，相当于多 条指令并行执行，从而大大提高了运算速度； 3 ) 具有低开销或零开销循环及跳转的硬件支持，提高了处理速度； 4 ) 多总线结构可以使C P U 同时进行取指和取数操作，提高并行性； 5 ) 由于信号处理中存在大量乘累加操作的矩阵运算，针对该特点，大多数D S P 芯片都能在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 6 ) 带有D M A 控制器、外部存储器扩展接口、串行通信接口等，配合片内多 总线结构，可以实现大吞吐量数据传送； 7 ) 配有中断处理、定时器、片内存储器和锁相环( P L L ) 等片内集成外设，可 以方便地实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统； 8 ) 省电管理和低功耗。D S P 功耗一般为0 5 4 W ，某些型号D S P ( 如T IC 5 5 1 0 ) 功耗可降到5 0 m W 适用于便携式数字终端设备。 目前，国外主要的D S P 制造商有：德州仪器( T I ) 、摩托罗拉( M o t o r o l a ) 、 朗讯科技( L u c e n t ) 和模拟器件公司( A D I ) 等。其中德州仪器公司( T e x a s I n s t r u m e n t s ，简称T I ) 对D S P 芯片的发展起到巨大的作用 2 1 。 相对国外D S P 的高速发展，国内对D S P 方面的研究起步较晚，技术也比较落 后，我们必须在吸取国外D S P 芯片设计的技术和经验的同时，自主创新，研发具 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 有自主产权的高性能D S P 芯片。 随着微电子技术的不断进步，D S P 发展呈现出如下趋势1 3 】： 1 ) 追求更高的运行速度和信号处理能力，满足海量数据处理的要求。 2 ) 追求更低的功耗，充分发挥便携式设备的功能。 3 ) 多D S P 协同工作以提高处理能力。 4 ) D S P 的S O C 化，即将大容量的程序和数据存储器以及越来越多的接口和控 制器件集成在同一芯片上。如T I 公司推出的适合第三代移动平台的开放 式多媒体应用平台( o M A P ) 。该平台为种独特的双核结构，将高性能低 功耗的C 5 5 XD S P 核与控制性能强大的A R M 9 微处理器结合起来，达到移动 多媒体通信要求的能力m 1 ； 5 ) 具有特殊功能硬件单元的D S P 结构( 专用D S P ) ，实现特殊的功能； 6 ) 模块化、可重构化的D S PC O R E ，便于被调用和移植。 2 、现代数字信号处理器设计面临的挑战 随着信号处理应用的发展，对于数字信号处理器对各种算法的支持提出了更 高的要求。更大的吞吐率、特殊的硬件指令以及加速信号处理速度已经成为处理 器研究设计中十分重要的方面。V L I W 与S I M D t 6 】【7 】1 2 6 】的概念在信号处理器设计中 被广泛采用。同时方向加法、位抽取与插入这些特殊的信号处理指令也需要在硬 件上得到广泛的支持。所以设计一套合适的指令集系统成为现代信号处理设计中 首先考虑的方面。 由于芯片集成度的进一步提高以及内部结构的更加复杂化，验证已经成为芯 片设计中的瓶颈。在进行逻辑设计前用适当的方法构建处理器的模型，并在系统 级对整个芯片进行验证也变得非常必要。近年来电子系统级设计( E S L ，E l e c t r o n i c S y s t e mL e v e lD e s i g n ) 工具的发展，软、硬件协同设计已经开始被采用。这种方法 使软件设计者在硬件设计完成之前就可以获得软件开发的虚拟硬件平台，在虚拟 平台上开发应用软件，评估系统架构，从而使硬件设计师和软件设计工程师联合 进行系统芯片的开发及验证1 3 4 1 。 近年来便携式设备的快速发展，对低功耗设计提出很高的要求，如何在较低 的功耗开销下高效的完成应用，成为D S P 设计中的一个重要方面。当前低功耗设 计的技术已经非常多，降低功耗的方法也层出不穷，为了降低功耗的开销，设计 师开始从更高层次上来设计电路，并取得了很好的效果鲫1 2 8 11 3 0 】，但同时对体系结 构的设计进一步加大了难度。 1 2 2D S P 芯片中主机接口的发展及应用 不论是单核的D S P 芯片还是多核的D S P 系统，仅提高处理数据的能力完全不 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 能满足应用的需求。还必须要加强D S P ：芯片的控制能力以及主机和D S P 芯片、或 者其它嵌入式芯片和D S P 芯片之间数据的传输能力，必须设计专门的接口电路来 实现。为了实现模拟的数据经采样后到D S P 芯片中进行处理，设计了专门的串型 接口；D S P 芯片为了对外部存储器进行访问，设计师又设计了相应的加接口或者 专用的E M I F ( 外部存储器接口) ；为了实现处理器内部数据的搬移和高速传输， 设计D M A 控制器，在C P U 运行的同时，进行数据传输。所以在D S P 芯片内部集 成了各种各样的接口电路，来协助C P U 完成工作。D S P 作为一个从设备，必须在 主机或者控制器的控制下工作，所以为了增加主机对D S P 的控制能力和加载程序 的方便性，设计师为D S P 设计了专门的并行接口一一主机接口( H o s tP o r t I n t e r f a c e ) 。通过主机接口，主机可以方便的控制D S P 芯片的工作和加载过程，实 现主机对D S P 芯片的高速访问。 目前世界上几家著名的D S P 芯片设计公司都在自己的芯片中含有主机接口【l 】， 并且因其体系结构和用途的不同而异。设计主机接口的目的是以最简单逻辑甚至 不需要额外的逻辑实现主机和D S P 芯片的互连，达到数据传输的目的。下面就几 家公司D S P 芯片中的H P I 进行分析，提出本课题中H P I 的设计要求。 1 ) T I 公司D S P 芯片中的H P I T I 公司的D S P 芯片目前占整个世界市场的大半份额，自生产第一款D S P 芯片 以来，已经经历了五代产品的更新，并不断的推出更先进的产品。T I 在C 5 0 0 0 系 列的设计中引入了主机接口【3 5 】0 7 】的概念，当时由于主机大多为8 位接口，所以为 了很好的与主机兼容，数据总线大多为8 位。随着主机和D S P 内部总线的进一步 扩展，T I 公司也不断在自己的产品中对主机接口进行改进，C 5 4 1 0 中就是8 位H P I 但支持1 6 位的数据传输，到C 5 4 1 6 数据总线扩展为1 6 位，但同时也支持8 位的 数据传输。到C 6 0 0 0 系列后，主机接口不光总线接口扩展到3 2 位，其内部结构也 发生了一定的变化。在T I 公司的D S P 芯片内部，主机接口都是与D M A 总线连接， 通过D M A 总线来访问内部存储器，所以D M A 的冲突可能带来数据传输的延时。 在C 6 0 0 0 系列的D S P 芯片中，主机接口与D M A 控制器之间加入了一个数据缓冲 队列，主机在内部总线忙的情况下可以现将数据写入缓冲队列，在总线完成当前 的操作后，相应H P I 的请求，从缓冲队列中搬移收据到相应的存储空间，提高了 数据传输的速度。主机访问的内部存储器空间受地址总线宽度限制，并且不能访 问寄存器空间。 2 ) A D I 公司D S P 芯片中的H P I A D I 公司也在自己的D S P 芯片中设计了专门的主机接口，主要用于多处理器 的互连，实现多处理器之间的数据交换。例如在A D S P 一2 1 0 6 X 处理器中，提供了 同步和异步两种数据传输方式，并且允许主机使用不同的时钟频率，其中异步传 第4 页 国防科学技术大学研究生院下程硕士学位论文 输速率最高u 丁达到处理器的时钟频率。主机要访问处理器的内部资源同样要首先 占据内部总线，在该处理中同样包含一定的缓冲空间来解决内部总线的访问延时 问题。在A D S P 2 1 0 6 X 处理器中，主机可以访问整个存储空间，包括内部寄存器 和I O 资源。 A D I 公司的T i g e r S H A R C 系列处理器中，通过外部口提供一个容易的、可配 置的外设总线和主处理器之间的接口。为适应各种各样主处理器，主机接口支持 流水线，支持该处理器之间按照主从存取的慢速协议。每个协议都有可编程传送 参数，如理想的周期、流水深度和内部等待周期。 3 ) M o t o r o l a 公司D S P 芯片的H P I 在M o t o r o l a 公司D S P 5 6 3 1 1 芯片内部也包含主机接口，H 1 0 8 。该主机接口是 一个全双工、双缓存的8 位并行端口，可以直接与主机的数据总线连接。通过该 端口主机可以实现对D S P 内部资源的访问。 其它大多公司的D S P 芯片内部也包含H P I 接口，因为其控制简单、逻辑实现 容易、便于主机加载等特点也将被一些面向应用的专用D S P 芯片使用。本课题中， 针对设计的要求，本文设计了一款1 6 为增强型的主机接口，通过与内部D M A 总 线连接，访问整个内部存储空间，并且实现对处理器的实时加载和测试。 1 2 3D S P 系统级验证概述 伴随着处理器功能的强大，芯片的复杂度也迸一步上升，这就给芯片的验证 带来更大的困难。目前，验证的工作量已经占到整个芯片设计工作量的5 0 8 0 ， 验证的投入已大大超过了设计的投入。对于高性能微处理器的设计而言，验证是 一项极具挑战性的工作，尤其是系统级验证，对验证人员提出了更高的要求。开 发一个高效、易用的系统级验证平台，对系统级验证的成功起着至关重要的作用。 为了解决验证带来的瓶颈问题，获得更好的验证效率和更高的验证品质，人 们付出了很大的努力，提出了各种各样的验证方法。在功能验证领域，全球各大 E D A 厂商都提出了自己的解决方案，包括C a d e n c e 的I n c i s i v e 验证平台、S y n o p s y s 的D i s c o v e r y 验证平台、M e n t o rG r a p h i c s 公司的基于平台的设计与验证、V e r i s i t y 公司以e 语言和S p e c m a nE l i t e 为基础的功能验证解决方案等等。 系统级验证方法基本可分为两类，即系统级模拟方法和系统级仿真方法。系 统级模拟方法是基于模型的验证方法，优点是灵活、便于修改，便于调试，缺点 是速度慢。图1 1 是一个典型系统级模拟结构示意图。系统级仿真是基于硬件的方 法，通常可用通用硬件仿真器或专门的F P G A 系统实现。硬件仿真的优点是运行 速度快，可以在仿真平台上运行十分复杂的程序；缺点是不易修改，调试困难。 在图1 1 中，不同的测试向量可以通过不同总线模型加载到待验证的设计中。 第5 页 国防科学技术大学研究生院T 程硕+ 学位论文 总线功能模型 待验证设计 l什- I 仕分 C P U 模型 测 I 任务二 试 程 内存模块 序 总线功能模型r o 模块 l 任务一 I 任务- - - I 中断模块1 接口 图1 1典型系统级模拟结构示意图 1 3 本文主要研究工作 本课题主要涉及两部分研究工作，一是F T - C 5 5 L P 低功耗数字信号处理器主机 接口的设计与验证；二是基于该主机接口的系统级验证平台设计和系统级验证。 围绕以上研究任务，具体完成的研究工作归纳如下： 1 、F T - C 5 5 L P 处理器体系结构的研究 为设计基于主机接口的系统级验证平台，有效进行系统级验证，本文对 F T - C 5 5 L P 的体系结构、指令系统、流水线、数据流单元、地址产生单元及程序控制 单元等进行了分析和研究。 2 、增强型主级接口的设计 根据F T - C 5 5 L P 的需求，设计了其主机接口叫H P I 。该接口为一1 6 位的增 强型主机接口，外部主机通过它可以直接访问F T - C 5 5 L P 的内部R A M 空间。为方 便与各种主机接口，E H P I 提供复用和非复用两种模式来传输数据和地址，复用模 式提供一条总线传输地址和数据，而非复用模式提供分开的地址和数据总线。论 文给出了该主机接口详细设计及全面逻辑验证。 3 、系统级验证平台的开发 对于高性能微处理器的设计而言，验证是一项极具挑战性的工作，尤其是系 统级验证，对验证人员提出了更高的要求。开发一个高效、易用的系统级验证平 台，对系统级验证的成功起着至关重要的作用。开发系统级验证平台的主要工作 是验证环境的建立，包括平台核心的E H P I 总线接口加载模型、内存系统、中断系 统等部分的建模工作以及各种辅助工具的开发。 4 、利用验证平台进行F T C 5 5 L P 处理器的系统级验证 在验证平台开发的基础上，作者利用该平台对F T - C 5 5 L P 处理器进行系统级验 第6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 证，包括：初始化测试，指令系统的测试，各种典型应用程序测试等等。通过对 验证结果的分析，在修改代码和验证之间反复迭代，使设计达到要求的功能。 1 4 论文组织结构 本文共分为五章，各章内容如下： 第一章、引言。介绍课题背景、意义和本文完成的主要工作。 第二章、F T C 5 5 L PD S P 基本架构分析。主要介绍了其指令系统设计，研究了 F T C 5 5 L PD S P 的基本架构和功能。包括F T C 5 5 L P 的C P U 基本结构、流水线的 结构以及部分外设的结构等。 第三章、主机接口的设计与实现。详细介绍了F T 。C 5 5 L PD S P 增强型主机接口 的设计和验证。 第四章、F T C 5 5 L P 验证的策略与验证平台的设计。首先讨论了验证的一般方 法和设计验证平台的策略，然后提出了基于H P I 的系统级验证测试模型，通过 V e r i l o g 硬件描述语言实现。 第五章，F T C 5 5 L P 的系统级验证。首先提出的验证方案在前一章提出的验证 平台上进行验证，包括指令系统的验证、初始化验证和一些应用程序的验证。通 过判断验证的结果，在修改设计和验证之间反复迭代，使设计达到最终要求的结 果。 最后对全文进行总结，根据作者的亲身经历和体会，对未来的工作提出展望， 并给予我无私帮助的所有老师、同学和朋友表示感谢。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工稃硕士学位论文 第二章F T - C f f L P 的体系结构概述 为了保证F T C 5 5 L P 处理器系统级验证的充分性，有必要对F T C 5 5 L P 的结构 和功能进行详细分析。本章从F T C 5 5 L P 处理器的指令系统、流水线结构和C P U 组成几个方面展开讨论，详细分析了F T - C 5 5 L PD S P 的体系结构，为系统级验证方 案的提出和验证平台的设计打下基础。 2 1 指令系统概述 指令系统的设计是处理器设计的核心，是软硬件功能分配最主要的交界面， 历来是体系结构设计者、系统软件设计者和硬件设计者所共同关注的问题。指令 系统设计的好坏，直接影响到应用程序能否充分利用芯片所提供的硬件资源进行 高效的运算 7 1 。D S P 处理器一般都有一套自己高度专业化的指令集，来支持D S P 芯片强大的数据处理功能。 2 1 1F T - C 5 5 L P 的指令集 F T C 5 5 L P 的指令集是一个灵活的指令集合，具有高度并行的结构，强调更容 易使用和更高的效率，同时还支持功能强大的寻址模式，包括绝对寻址、直接寻 址和间接寻址，支持存储器和寄存器的三操作数格式，很大程度上减少了信号处 理算法所要求的指令数目，提高代码密度，降低每个运算所要求的周期数。 1 指令格式 F T C 5 5 L P 指令格式由操作符和操作数两部分组成，如图2 1 所示。操作符指 出指令应完成何种操作，操作数用来描述该指令的操作对象，它可以是数据本身， 也可以是指出如何获取操作数的信息【1 9 1 。 l标号操作符操作敷l操作数2操作数3 l 图2 1F T - C 5 5 L P 指令的基本格式 标号是可选项，操作数可以没有或可有多个，其内容可以是立即数、寄存器、 程序地址、数据地址、I o 地址等。F T C 5 5 L P 型D S P 中源操作数通常是放在操作 数l 的位置，目的操作数则放在操作数3 的位置，指令执行的结果存放在目的操 作数单元中，源操作数保持不变。例：M O V # 8 8 8 8 H ，A R 0 这条指令的执行结果是将立即数8 8 8 8 H 传送到累加器A R 0 中，这里的M O V 为操作符，8 8 8 8 H 为操作数l ，累加器A R 0 为操作数2 。 2 指令长度 第8 页 国防科学技术大学研究生院T 程硕士学位论文 F T C 5 5 L P 指令的长度从8 位到4 8 位不等，这种长度町变的指令大人降低了 每个函数所需的代码量，增加代码的密度，可以方便的支持指令的并行。 可变长的指令给指令译码增加了难度，可能会影响到关键路径的延时。在 F T C 5 5 L P 设计中为了解决译码阶段实现的难度，增加了一个预译码流水站，虽然 增加了流水线深度，但综合评定，增加该站带来的好处更加明显。一方面解决了 译码阶段实现的难度，提高了处理器的频率。另一方面，可以在该阶段确定指令 的边界，更好的支持了指令的并行。 2 1 2 指令分类 F T - C 5 5 L P 共有3 9 4 条指令，按指令的功能主要分成数据传送指令、算术运算 指令、逻辑运算指令、程序控制