（计算机科学与技术专业论文）soc中应用类ip核高级综合技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博十学位论文 摘要 近年来，随着集成电路设计和工艺技术水平的快速提高，片上系统s o c 设计 技术得到越来越广泛的应用，已经逐步涉及到电子设计技术的诸多领域。s o c 设 计技术已经成为当今超大规模集成电路的发展趋势。 在s o c 设计中，i p 核是其设计的基础和核心，s o c 设计需要尽可能地使用现 有i p ，以搭积木的方式完成大部分设计。其中，应用类i p 核设计是s o c 创新性的 体现，也是制约s o c 快速构建的关键。i p 核高级综合技术实现将硬件行为级描述 转化为结构描述，甚至布图描述，提高了抽象级别，使设计者从繁杂的底层设计 细节中解脱出来，更加专注于整个系统的设计，提高了设计的效率和正确率，降 低了设计成本。i p 核高级综合技术自提出以来，引起了学术界和工业界的高度重 视，并且在未来的设计中将占据更加重要的地位。 本文主要面向一类应用程序类型滑动窗口应用展开研究。滑动窗口广泛 应用于图像处理、模式识别和数字信号处理领域，它具有数据量大，计算密集等 特点。滑动窗口应用因其访存的特殊性，而成为很多高级综合工具研究的入手点。 令人遗憾的是，现有的高级综合系统在解决滑动窗口应用中还存在各种不足，或 者没有明确的体系结构模型，或者没有充分开发数据重用，或者为实现数据重用 使用了过多的硬件资源，或者没有进行设计空间探索优化。本文在现有工作的基 础上，系统的研究了面向滑动窗口应用的i p 核的高级综合技术，主要对以下几个 方面的问题进行了研究。 针对现有体系结构模型的不足，本文首先提出了i p 核的参数化三层存储结构 模型，设计目标是充分开发滑动窗口应用中存在的数据重用，减少访存次数，加 快程序执行速度。该模型采用三级存储层次和寄存器轮转策略，充分开发循环层 内和循环层间数据重用，其具体结构由若干参数确定，参数值由编译器根据具体 滑动窗口应用的特点在编译阶段确定。本文针对不同类型的数据重用，提出了参 数提取算法。实验结果表明，与相关工作相比，本文提出的存储结构模型使用相 对较少的存储单元，将程序执行节拍减少了2 1 3 到3 8 倍，将程序执行频率由 6 9 m h z 提升到了2 0 0 m h z 以上。 在参数化三层存储结构模型的基础上，本文研究了i p 核r t l 级硬件描述文件 的自动生成。设计目标是实现i p 核的可综合v e r i l o g 代码自动生成。该过程包括 三部分：控制状态机自动生成、运算流水线自动生成和整体封装模块生成。首先， 编译器将滑动窗口应用源程序划分为控制部分和运算部分。通过在编译平台上对 程序控制部分进行分析，获得循环信息( 循环初值、终值和步进值) 和数据重用 信息，本文提出的控制状态机自动生成算法根据这些信息，实现控制状态机的自 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 动生成。源程序运算部分在编译平台上经过数据结构定义、相关性分析等操作， 输出数据流图描述文件，再经过运算流水段划分，生成新的程序中间表述i r ( i n t e r m e d i a t er e p r e s e n t a t i o n ) ，最后，调用相应的运算单元i p 函数，实现运算流 水线的自动生成。整体封装模块将控制单元、运算流水线和暂存单元等模块集成， 实现r t l 级i p 核硬件描述文件的生成。这种方法避免了手工映射的复杂性和低效 性，实现自动映射，并且结果比较优化。 在此基础上，本文进一步研究了片上资源足够和不足两种情况下的设计空间 探索技术。当片上资源足够时，本文设计了一种基于硬件流水结构的设计空间探 索方法，设计目标是充分利用片上资源，提高算法并行度，减少程序执行节拍。 其基本思想为在程序正式加载到目标开发板之前，综合考虑片上系统提供的各种 资源( 主要为芯片面积、存储带宽和存储资源，本文用片上逻辑计算部件个数来 衡量片上面积资源) ，生成能充分利用片上资源的底层硬件结构。如果片上资源 有余，则最大化循环展开，增加程序并行性。如果面积资源有余，而存储资源不 足，本文将输入数组沿水平方向分块，并实现块内部的数据流水化调度，以尽可 能的减少重复访问片外存储系统的次数。实验证明，本文提出的设计空间探索方 法，可以将片上资源利用率提高到8 5 以上，同时本文的阵列分块方法与相关工 作相比，可以将访存次数降低2 到2 0 。 在一些大规模应用中，存在大量包含多个循环基本块的程序，由于片上资源 有限，并不能将这些循环基本块同时映射到目标芯片上。在这种情况下，如果为 每个循环基本块设计一个专用i p 核显然是不实际的。本文在片上资源受限的情况 下，针对多循环程序设计了一个参数化的流水线模板，该模板结构对特定目标应 用中所有循环基本块通用，能够实现对所有循环基本块的顺序映射。该模板根据 目标应用需求和片上资源数量确定底层运算单元的配置，并基于软件流水的迭代 模调度思想和s h i f t q 体系结构模型，实现对各个循环基本块的指令调度和中间暂 存寄存器自动生成。实验表明，针对每个循环基本块，本文设计的流水线模板能 达到与专用硬件结构相当的执行节拍，同时本文提出的通用模板结构简化了为每 个循环设计专用i p 这一过程，降低了设计复杂度，缩短了设计周期。 综上所述，本文面向滑动窗口应用，研究其i p 核的高级综合技术，对存储结 构模型、r t l 级硬件描述文件自动生成和两种情况下的设计空间探索方法等问题 提出了有效的解决方案，对于推进应用类i p 核高级综合技术的研究和实用化具有 一定的理论意义和应用价值。 主题词：s o c ，i p 核，高级综合，滑动窗口应用，数据重用，设计空间探索 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi c ( i n t e g r a t ec i r c u i t ) d e s i g n ，t h e t e c h n o l o g yo fs y s t e m o n c h i p ( s o c ) h a sb e e nw i d e l yu s e da n di n c r e a s i n g l yi n v o l o v e d i nm a n yf i e l d so fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y i nf a c t ，s o ch a sb e c o m eat r e n do fc u r r e n t v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) d e s i g n t h ei p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) c o r ei st h eb a s i sa n dk e r n e lo fs o cd e s i g n d e s i g n e r s o fs o ct r yt or e u s ee x i s t i n gi pc o r e sa sm u c ha sp o s s i b l et of i n i s ht h ew h o l ep r o j e c t s i m p l yb yg e t t i n gt h e mt o g e t h e r t h e s ei pc o r e so r i e n t e da ts p e c i a la p p l i c a t i o n se m b o d y t h ei n n o v a t i o no fs o ca n da r ea l s oa k e yf a c t o rt ot h ed e s i g ns p e e d t h eh l s ( h i g hl e v e l s y n t h e s i s ) o fi p c o r er a i s et h el e v e lo fd e s i g nf r o mt r a n s f o r m i n gb e h a v i o r - l e v e l d e s c r i p t i o nt os t r u c t u r e l e v e l ，e v e nl a y o u td e s c r i p t i o n h l sc a nh e l pt h ed e s i g n e r sb e r e l e a s e df r o mt h ec o m p l i c a t e dh a r d w a r ed e s i g na n df o c u so nt h eh i g hl e v e ls y s t e m d e s i g nw h i c hi n c r e a s e st h ee f f i c i e n c ya n dv a l i d i t yo fs o cd e s i g n ，a n dr e d u c e st h ec o s ta t t h es a m et i m e a sar e s u l t ，t h i st e c h n o l o g yh a sg o tm u c h r e c o g n i t i o nf r o ma c a d e m ea n d i n d u s t r y ，s i n c ei ti sb r o u g h tf o r w a r da n dw i l lb ep r o m i s i n gi nt h ef u t u r e o fp a r t i c u l a ri n t e r e s t st ot h i sp a p e ra r es l i d i n g - w i n d o wa p p l i c a t i o n s ，w h i c hi s w i d e l yu s e di ns i g n a l ，i m a g ea n dv i d e op r o c e s s i n ga n dr e q u i r e sm u c hc o m p u t a t i o na n d d a t am a n i p u l a t i o n m a n yh l ss y s t e m ss t a l t 、析t ht h i sk i n do fa p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t s p a r t i c u l a r i t yo fm e m o r ya c c e s s i n g u n f o r t u n a t e l y ，t h e r ea r es t i l lv a r i o u sl i m i t a t i o n so f c u r r e n tw o r k s s o m eo ft h e md on o tp u tf o r w a r dt h em e m o r ya r c h i t e c t u r ed e f i n i t e l y ， s o m ed on o tr e a l i z ed a t ar e u s ea d e q u a t e l y ，s o m eu s el a r g en u m b e r so fm e m o r ye l e m e n t s a n dr e g i s t e r s ，a n ds o m eo ft h e md on o td i s c u s st h ep r o b l e mo fd e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o n w e d e e p l ys t u d ys o m ek e yp r o b l e m si nh l s o fi pc o r ef o rs l i d i n g - w i n d o wo p e r a t i o n s i i lt 1 1 i st h e s i sw h i c hi so u t l i n e da sf o l l o w e d a i m i n ga tt h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs l i d i n g w i n d o wo p e r a t i o n sa n dt h e l i m i t a t i o no fc u r r e n tw o r k s ，w ep r o p o s eap a r a m e t e r i z e dm e m o r ya r c h i t e c t u r et o g e n e r a t et h eh a r d w a r ef r a m e sf o ra l ls l i d i n g - w i n d o wa p p l i c a t i o n sa u t o m a t i c a l l y t h e o b j e c to f0 1 1 1 w o r ki st or e a l i z ed a t ar e u s ea sf u l l ya sp o s s i b l e ，s oa st or e d u c et h e n u m b e ro fm e m o r ya c c e s s e sa n ds p e e d u pt h ee x e c u t i o n at h r e el e v e l sm e m o r y s t r u c t u r ei sd e s i g n e dt or e a l i z ei n n e r - l o o pa n do u t e r - l o o pd a t ar e u s e ，a n da tt h es a m e t i m es h i f t e dr e g i s t e r sa r eu s e dt om a k eh a r d w a r ed e s i g ns i m p l e r t h ea r c h i t e c t u r ei s d e c i d e db ys o m ep a r a m e t e r s ，t h ev a l u e so fw h i c ha r ea c h i e v e df r o mt h ec o m p i l e r w e p r o p o s e dt h ep a r a m e t e r s sg e n e r a t i o na l g o r i t h ma c c o r d i n gt od i f f e r e n tk i n d so fd a t a r e u s e c o m p a r e dt or e l a t e dw o r k s ，o u ra p p r o a c hw h i c hu s e so n l yas m a l ln u m b e ro f m e m o r ye l e m e m t sa n dr e g i s t e r sc a nr e d u c et h ee x e c u t i o nc l o c kc y c l e sb y2 13 xa n du p t o3 8 x 。a n de n h a n c et h ef r e q u e n c yf r o m6 9 m h zt om o r et h a n2 0 0 m h z b a s e do nt h ep a r a m e t e r i z e dm e m o r ya r c h i t e c t u r e ，w es t u d yt h eg e n e r a t i o no fr t l 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 l e v e lh a r d w a r ed e s c r i p t i o n ，t h ea i mo fw h i c hi st og e n e r a t ev e r i l o gc o d eo fi pc o r e a u t o m a t i c a l l y t h e r ea r et h r e ep a r t so fw o r k ：a u t o m a t i cg e n e r a t i o no fc o n t r o l l e r s ， a u t o m a t i cg e n e r a t i o no fp i p e l i n e do p e r a t i o n sa n dg e n e r a t i o no fh o l i s t i ce n c a p s u l a t i o n m o d u l e f i r s t l y ，t h ec o m p i l e rp a r t i t i o n st h es o u r c ec o d e si n t ot w op a r t s ：c o n t r o lc e l l a n do p e r a t i o nc e l l t h ec o n t r o lc e l li sa n a l y z e di nt h ec o m p i l e r ，t h e nt h ev a l u eo fs o m e p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h ei n f o r m a t i o no fl o o p ( t h ei n i t i a lv a l u e ，e n dv a l u e a n ds t e p - l e n 舒hv a l u eo ft h el o o p ) a n dt h ei n f o r m a t i o no fd a t ar e u s e aa l g o r i t h mo f c o n t r o l l e r s g e n e r a t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，a n dt h ec o n t r o l l e r sc a nb eg e n e r a t e d a u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h e s ep a r a m e t e r s t h eo p e r a t i o nc e l li sd i s p o s e di nt h e c o m p i l e rv i aas e r i e so fs t e p s ：d e f i n i n gd a t as t r u c t u r e ，a n a l y z i n gd e p e n d e n c y ，t h e nt h e d e s c r i p t i o no fd a t ad e p e n d e n c ef l o wi sc r e a t e d b a s e do ni t ，w ep a r t i t i o nt h ed a t a p a t h i n t op i p e l i n e ds t a g e s ，a n de x p r e s st h es o u r c ep r o g r a mi nan e wi r ( i n t e r m e d i a t e r e p r e s e n t a t i o n ) a n dt h e n ，t h ep i p e l i n e do p e r a t i o n sa r eg e n e r a t e d f i n a l l y ，t h eh o l i s t i c e n c a p s u l a t i o nm o d u l ei n t e g r a t e st h ec o n t r o l l e rm o d u l e ，o p e r a t i o nm o d u l ea n dr a m m o d u l ee t c ，a n dr e a l i z et h er t ll e v e lh a r d w a r ed e s c r i p t i o n sg e n e r a t i o n o u ra p p r o a c h c a na v o i dt h ec o m p l e x i t ya n di n e f f i c i e n to fh a n d i w o r k ，a n dt h er e s u l ti sc o m p a r a t i v e l y b e t t e r t h e n ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o nt e c h n o l o g yf u r t h e ra c c o r d i n g t ot h es u f f i c i e n c yo fr e s o u r c e so nc h i p w ep r e s e n tad e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o na p p r o a c h w h e nt h er e s o u r c e so n - c h i pi sa b u n d a n t ，t h ea i mo fw h i c hi st ou s et h er e s o u r c e s c o m p l e t e l y ，i n c r e a s ep a r a l l e l i s m ，a n dr e d u c et h ec l o c kc y c l e so fe x e c u t i o n b yf i n d i n g t h r e eu p p e rb o u n d sa c c o r d i n gt oa r e ac o n s t r a i n t s ( w h i c hi ss c a l e db yt h en u m b e ro fl o g i c o p e r a t i o nu n i t s ) ，m e m o r yb a n d w i d t hc o n s t r a i n t sa n do n - c h i pm e m o r yc o n s t r a i n t s ，t h e b l o c ks t r u c t u r eo ft h ed e s i g n ，w h i c hc a nf u l l yu t i l i z e dt h ea v a i l a b l er e s o u r c e so nt h e b o a r di sd e t e r m i n e d l o o pu n r o l l i n gi sa d o p t e da sm u c ha sp o s s i b l ew h e nt h ea r e a o n c h i pi sa b u n d a n t t h ei n p u td a t aa r r a yi sp a r t i t i o n e di n t os e v e r a lp i e c e sh o r i z o n t a l l y o n c et h em e m o r ye l e m e n t sa r ei n s u f f i c i e n t a n dt h ed a t ai nap i e c ei sp r o c e s s e di n p i p e l i n ei no r d e rt or e d u c e t h en u m b e ro fm e m o r ya c c e s s e sa sm a n ya sp o s s i b l e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ee f f i c i e n c yo fm e m o r yu s i n gc a ni n c r e a s et o8 5 a n d c o m p a r e dt oc u r r e n tw o r k ，t h en u m b e ro fm e m o r ya c c e s s e sc a nr e d u c eb y2 t o2 0 t h e r ea r es o m el a r g ea p p l i c a t i o n sw h i c hc o n s i s to fm a n yl o o pn e s t s m a pt h e s e l o o pn e s t si na na p p l i c a t i o no n t oat a r g e tc h i pm a y b ei m p r a c t i c a lb e c a u s eo ft h ea r e a l i m i t a t i o no n c h i p t r a d i t i o n a lm e t h o do fd e s i g n i n gs p e c i a li pc o r ef o re v e r yl o o pn e s ti s a w k w a r d t h i sp a p e rp r e s e n t sap i p e l i n e dt e m p l a t e ，w h i c hi su n i v e r s a lt oa l ll o o pn e s t s i na na p p l i c a t i o n t h e s el o o pn e s t sc a l lb ee x e c u t e do nt h et e m p l a t eo r d e r l y w ed e c i d e t h en u m b e ro ff u s ( f u n c t i o nu n i t s ) a c c o r d i n gt ot h er e s o u r c e so n - c h i pa n dt h ec h a r a c t e r o f s p e c i f i ca p p l i c a t i o n b a s e d o nt h ei t e r a t i v em o d u l os c h e d u l i n go fs o f t w a r e p i p e l i n g i n ga n dt h es h i f t qa r c h i t e c t u r e ，w es c h e d u l et h ei n s t r u c t i o n so fe a c hl o o pn e s t a n dr e a l i z et h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no ft h er e g i s t e r sw h i c ha r eu s e dt ok e e pt h e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 i n t e r m e d i a t er e s u l t s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep i p e l i n e dt e m p l a t e c a na c h i e v ea c o m p a r a t i v ee x e c u t i o nc y c l e sf o ral o o pc o m p a r i n gw i t ht h es p e c i a lh a r d w a r e ，a n da tt h e s a m et i m eo u ra p p r o a c hs a v et h et i m eo fd e s i g n i n gs p e c i f i ci pc o r ef o re v e r yl o o pn e s t s i ns u m m a r y ，o u rw o r k ss t u d yt h eh l so fi pc o r ef o rs l i d i n g w i n d o wo p e r a t i o n s ， p r e s e n ts o l u t i o n st os e v e r a lk e yp r o b l e m s o fm e m o r ya r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o n c o d eg e n e r a t i o na n dd e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o no ft w os i t u a t i o n s o u rw o r k sh a v e a c a d e m i ca n dp r a c t i c a lv a l u ef o ra d v a n c i n gt h et h e o r ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fh l so fi p c o r ef o rs p e c i f i ca p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：s o c ，i pc o r e ，h i g hl e v e ls y n t h e s i s ，s l i d i n g - w i n d o wo p e r a t i o n ，d a t a r e u s e ，d e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o n 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 几种典型的直接编译系统小结1 1 表1 2 几种典型类c 语言小结1 3 表1 3 数字图像处理中部分应用程序分析1 9 表1 - 4m e d i a b e n c h 中部分应用程序分析2 0 表1 5l f k 应用程序分析2 l 表3 1 几种典型的没有数据重用的程序示例4 5 表3 2 几种典型的只有层内数据重用的程序示例4 6 表3 3 典型的只有层间数据重用的程序示例4 7 表3 4 典型的既有层内数据重用又有层间数据重用的程序示例4 8 表3 5 问题规模5 0 表3 6 寄存器资源使用数量5 0 表3 7 存储单元的使用数量5 0 表3 8 本文的方法与r o c c c 系统的比较。5 1 表4 1 运算部件和控制部件的开销6 9 表4 2 几个典型程序的综合结果7 0 表5 1 输入变量7 2 表5 2 中间变量7 3 表5 3 输出变量7 3 表5 4 控制逻辑和运算流水线所占用的资源比较8 3 表5 5 八个测试程序经过设计空间探索后的资源使用情况8 5 表5 6 我们的输入数组划分方法与s w o o p 的比较8 5 表6 1 边延迟计算公式9 1 表6 2 几个运算部件的权重和执行延迟1 0 3 表6 3f u 配置算法的执行结果1 0 4 表6 - 4 优化算法执行结果10 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1直接编译技术执行流程1 4 图1 2滑动窗口应用示意图17 图1 3s o b e l 边缘检测程序及其滑动窗口示意图1 8 图2 1s o c 框架结构2 6 图2 2t r s c e n da 7 的s o c 框架结构【1 1 2 7 图2 3i p 核体系结构2 8 图2 4i p 核高级综合工具构成2 9 图2 5 数据相关图实例3 3 图3 1s o b e l 程序窗口计算示意图3 5 图3 2s o b e l 程序的数据输入相关及其数据重用3 6 图3 3 没有数据重用的方法为s o b e l 程序设计的体系结构模型3 7 图3 4 传统的数据重用方法为s o b e l 程序设计的体系结构模型。3 7 图3 5r o c c c 为s o b e l 程序设计的体系结构模型3 8 图3 - 6r o c c c 实现s o b e l 程序的数据调度流图3 9 图3 7 本文为s o b e l 程序设计的体系结构模型。3 9 图3 8 本文的方法解决s o b e l 程序的数据调度流图。4 0 图3 - 9 参数化三层存储体系结构模型4 1 图3 102 dl o w p a s sf i l t e r 程序源代码一4 3 图3 1 12 dl o w p a s sf i l t e r 程序的数据调度流图一4 4 图3 1 25 - t a pf i r 程序源代码4 4 图3 1 3 示例程序4 5 图3 1 4 三种方法的执行速度比较5 l 图4 1硬件描述文件生成流程5 4 图4 2 灰度变换程序5 5 图4 3变换后的灰度变换程序5 6 图4 4 表达式树示例6 1 图4 - 6s o b e l 程序的部分数据相关图描述语句6 3 图4 7s o b e l 程序的数据通路流水段划分结果6 5 图4 8s o b e l 程序的中间表示描述6 6 图4 - 9 整体封装模块接口示意图6 7 图5 12 * 2 循环展开的低通滤波程序及其滑动窗口操作7 5 图5 2s w o o p 方法输入数组分块示意图7 6 笫v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图5 3本文的方法输入数组分块示意图7 6 图5 4 将s o b e l 边缘检测程序输入数组分块后数据调度流图7 8 图5 5 面积、时钟频率和吞吐率随循环展开的变化情况8 2 图6 1软件流水指令调度示例8 8 图6 2 迭代模调度函数9 0 图6 。3 查找时间槽算法9 2 图6 4m e a sp o s 循环程序源代码9 3 图6 5 m e a sp o s 数据相关图9 3 图6 6m e a sp o s 程度调度时间步和模保留表9 4 图6 7s h i f t q 结构及其b u f f e r 控制9 5 图6 8m e a sj a o s 循环软件流水电路结构9 5 图6 - 9 参数化流水线模板体系结构9 6 图6 10 参数提取算法流程9 7 图6 1 1 示例程序9 8 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：曼丛生廑围差! 挞直熟绫佥挂苤珏窀 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：墨鳗生壅围差! 里楚直熟绫佥挂苤叠窀 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：佃譬年毕月g 日 日期：加徉妒月夕日r 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一童绪论 随着集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 设计和工艺技术水平的快速提高，片上 系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 设计技术得到越来越广泛的应用，已经逐步涉及到电 子技术及电子设计技术的诸多领域。s o c 设计技术已经成为当今超大规模集成电 路的发展趋势。其中，i p 核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 是s o c 设计的基础和核心。s o c 设计需要尽可能地使用现有i p ，以搭积木的方式完成大部分设计。应用类i p 核设 计是s o c 创新性的体现，也是制约s o c 快速构建的关键。i p 核高级综合技术将寄 存器传输级以上的硬件行为级描述转换成结构描述，甚至布图描述，使设计者从 繁杂的底层设计细节中解脱出来，更加专注于整个系统的设计，提高了设计效率， 降低了设计成本。i p 核高级综合技术自提出以来，引起了学术界和工业界的高度 重视，并且将在未来的设计中占据更加重要的地位1 2 j 。 本章将首先介绍s o c 技术的基本概念、特点及其面临的挑战，之后详细介绍 i p 核高级综合技术，包括i p 核的基本概念和特点，i p 核高级综合技术的研究意义、 研究现状、关键技术问题及其面临的挑战。之后，介绍本文所面向的应用程序类 型一一滑动窗口应用，包括滑动窗口应用的定义、应用领域和研究意义。最后概 述了本文的主要工作。 1 1 1 基本概念和特点 1 1s o c 技术概述 4 0 多年来，集成电路技术发生了惊人的变化，它经历了小规模( s s i ) 、中规 模( m s i ) 、大规模( l s i ) 和超大规模( v l s i ) 几个阶段，目前己进入了特大规 模( u l s i ) 发展阶段。集成技术的不断发展和集成度的迅速提高，使整个系统的 片上集成成为了可能1 3 j 。与此同时，市场上的一些消费类电子设备，象3 g 移动通 信设备、高清晰度电视、b l u e t o o t h 等产品都要求进行百万门级的集成电路设计， 这些设备要求设计时间、投放市场时间尽量短，还要求开发过程部分可预测、制 造风险尽量小、质量尽可能高。在这种情况下，传统的以单元库( c e l ll i b r a r y ) 为 基础的a s i c 设计方法已经逐渐跟不上需求，系统集成芯片设计技术应运而生，而 且正在逐渐成为集成电路设计的主流【4 卅。 s o c 将电子系统的几乎全部功能集成到一块芯片上，在单个硅芯片上实现信号 采集、转换、存储、处理和f o 等功能，从而实现一个系统的功能【_ 7 ，8 1 。s o c 具有 如下特征： 实现复杂系统功能的v l s i 。能在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 处理和i o 等多种功能； 采用超深亚微米工艺技术。特征