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位嵌入式系统的
协处理器设计研究
摘要
随着集成电路技术的发展,嵌入式系统由于其功耗低、体积小、设计效率高、
集成度高、可靠性强、生命周期长等特点,正在被越来越广泛地使用。从网络、
系统控制等高性能设备到个人数字助手褪只伎梢约剿纳碛啊
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要。虚拟机带来的跨平台性、安全性、扩展性、易用性等具有的特性,
使非常适合各种嵌入式系统。
然而,虚拟机在带来语言多种显而易见的优点的同时也存在着一个
很大的缺点——纯软件的虚拟机解释执行速度较慢、效率低。这无疑妨碍
了技术走向广泛的应用。硬件加速的执行是目前解决这一问题较好的
方案。
本文针对家庭网络这个具体的位嵌入式系统的特点,选取卡虚拟机
这个平台优化的子集;采用软硬件协同的方案设计一个协
处理器,用不太大的硬件代价加速字节码闹葱小V贫讼晗傅娜
硬件协同工作方案,根据方案对软件协处理器和硬件协处理器进行合理划分。硬
件电路对部分指令加速执行,设计只修改原处理器的取指通路,与处理
器耦合程度低,设计周期短。硬件协处理器实现过程中采用流水线结构、指令预
取、指令折叠、寄存器管理等设计优化方案来进一步提高电路速度。
本文对系统进行了软硬件集成。并就一些具体的应用程序对系统进行了
功能仿真、性能分析和验证。
关键词:嵌入式系统; 协处理器;软硬件协同设计;软件协处理器;硬件
协处理器
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前言
前言
●
语言的最初诞生是源于嵌入式系统对体系结构中立的语言的需要,
某鱿值贾铝怂木薮蟪晒ΑM盝镅栽谇度胧紺中一直发挥着
重要作用。虚拟机使得语言具有平台无关性,然而随着代码越来越复
杂,虚拟机所耗费的系统资源例如内存日益增大,解释执行字节码的速度也显得
跟不上要求。这些问题局限了在嵌入式领域的广泛运用。
另一方面,网络时代的到来使网络通信、信息安全和信息家电产品将越来越
普及,际踉谡庖怀绷髦械玫搅酥厥雍头⒄埂G度胧紺作为酒
●
核心,对酒纳杓品浅9丶2捎们度胧絁词迪置嫦騃与各
种设备的互联技术,能够使开发平台具有易用性、开放性、无关性和先进性,因
此语言处理芯片将在信息家电中扮演重要角色。菊铝τ谟胂训
子设备制造商携手合作,推出基于技术的新型信息家电产品;绝大多数信
息家电厂商也正努力增强对的支持,如公司把
应用于家庭网关,购置了高效的虚拟机,用嵌入式来
实现面向敫髦稚璞傅幕チ!I瞎愕缬雖闪⒘肆:霞际踔行模们
入式来建立中台。未来的发展趋势将是直接将技
●
术做在芯片上,作为信息家电设备的核心。
本课题以年度专项重点课题“位高性能嵌入式癑
协处理器开发”为基础,是复旦大学承担的氐憧翁狻凹彝ネ绾诵
教”的组成部分,主要目的是使位家庭网络嵌入式系统具备协
处理能力,用较小的硬件代价,大大加速字节指令的执行速度。本文的创
新性工作如下:
针对家庭网络这个嵌入式系统的特点,本文采用了软硬件协同方案设计
协处理器。这种方案将大部分复杂的面向对象的操作交由软件协处理
▲器来解释,而把一些简单的常规操作以及个别频繁出现复杂指令使用硬件
协处理器来解释执行,最终实现的电路占用系统硬件面积少。
在硬件协处理器方面,设计修改了原嵌入式系统处理器的取指部分通路,接
管处理器和总线之间的部分信号,截断送往处理器的字节码,在外围翻译
位嵌入式系统的协处理器设计研究
前言
成本地指令后再交由处理器执行。这种方法由于不需要修改系统流水线的其他部
位,与原处理器耦合程度较低,设计周期短,实现方便。
■
在具体的硬件设计中,采用了流水线分配、指令预取、指令折叠和寄存器管
理等优化方案。
·流水线结构缩短电路关键路径,使得硬件协处理器不会成为整个系统的
瓶颈;
·指令预取保证有足够的字节码给后级,译码工作在全速状态下而不会造
成流水线停顿;
●用户可选的指令折叠译码模式可以一次处理多条字节码,避免很多堆栈
◆操作,减少需要执行的本地指令的条数,加速执行;
·寄存器管理模块对解释执行过程中的指针和寄存器进行统一管理,保证
了软硬件协处理器之间的无缝切换。
围绕以上这些创新性工作,本论文的具体安排如下:
第一章对嵌入式系统做简单概述