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64位高性能通用微处理器整数部件的设计与实现

64位高性能通用微处理器整数部件的设计与实现

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作者：屈双喜国防科学技术大学

学位级别：硕士

随着科学计算规模的不断增大,多媒体应用种类的不断增多以及事务处理和科学研究领域的不断深入,人们对微处理器性能的要求不断提高,我们国家对于发展高性能微处理器也日益重视。本课题来源于863重大课题“高性能通用CPU芯片设计”,目标... 详细信息

随着科学计算规模的不断增大,多媒体应用种类的不断增多以及事务处理和科学研究领域的不断深入,人们对微处理器性能的要求不断提高,我们国家对于发展高性能微处理器也日益重视。本课题来源于863重大课题“高性能通用CPU芯片设计”,目标是设计一款64位高性能通用微处理器。本文分析了基于IA-64体系结构的Itanium系列微处理器,研究了我们自主设计的X处理器的微体系结构,深入研究了IA-64指令集中的整数指令,设计并实现了X处理器的整数部件。最后,针对所设计的整数部件进行了时序优化和功能验证。主要研究内容包括: 1.分析了基于IA-64指令集的Itanium系列微处理器的体系结构,对EPIC设计风格进行了研究;2.研究了我们自主设计的一款兼容IA-64指令集的微处理器——X处理器的体系结构,深入研究了IA-64指令集中的整数指令;3.设计实现了X处理器的整数部件,其中包括多媒体部件的设计、64位动态并行加法器的设计、64位先行进位加法器的设计、并行乘法器的设计、移位器的设计等等;4.针对所设计的整数部件进行了时序优化和功能验证。提出了三种有效的优化设计策略,包括分站处理、微操作级资源复制和关键信号提前生成;建立了一套实用的模拟验证流程,实际证明我们的优化和验证工作思路正确、效果明显。 5.所设计的整数部件用Synopsys公司的Design Compiler进行了综合,目标工艺库使用Artisan 0.13微米的typical(典型)工艺库,整数部件最长路径延时为1.96ns,满足系统性能的要求。将整数部件嵌入到整个X处理器系统中,整个X处理器系统在Cadence公司的Palladium硬件仿真平台上进行硬件仿真验证通过。

关键词：显式并行指令计算微处理器流水线整数部件设计优化验证

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星载处理器流水线的BIST设计与实现

星载处理器流水线的BIST设计与实现

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作者：陈小保国防科学技术大学

学位级别：硕士

空间辐射环境下,星载微处理器中的半导体器件易发生单粒子效应,导致微处理器发生故障,严重影响航天器或卫星的可靠性和寿命。当星载微处理器系统发生故障后,如何在多核处理器中判断故障、定位故障、剔除故障,需要一种低成本、高效率的... 详细信息

空间辐射环境下,星载微处理器中的半导体器件易发生单粒子效应,导致微处理器发生故障,严重影响航天器或卫星的可靠性和寿命。当星载微处理器系统发生故障后,如何在多核处理器中判断故障、定位故障、剔除故障,需要一种低成本、高效率的方法予以实现。作为学校预研项目“恶劣环境下星载处理器系统技术研究”的子课题之一,本文深入研究了BIST(内建自测试)的机理,在理论推导和建立模型的基础上,总结出基于处理器流水线的BIST方法,实现了器件开销和故障覆盖上的折中。在modelsim模拟器中进行故障注入来验证BIST的正确性,并通过理论计算评估BIST设计代价以及故障覆盖率。论文的研究成果包括以下几点: 一、在初步分析当今星载微处理器技术的基础上,针对其高可靠性的要求,深入研究了BIST理论,结合二者的特征,提出了基于处理器流水线的BIST设计策略。二、结合LENO3现有的流水线实现技术,创造性的提出了基于流水线的BIST设计,综合考虑效率和代价之后,实现了流水线上BIST的嵌套使用,大大降低了BIST的开销。三、深入研究、分析了LEON3的源程序,直接在LEON3的源程序中用VHDL描述了此BIST设计,并用ModelSim完成了加入BIST后的LEON3仿真,用Synplify完成了加入BIST后的LEON3综合。四、研究系统逻辑与内建自测试逻辑的融合,在系统原有结构中融入内建自测试逻辑,实现内建自测试逻辑与系统逻辑(本处指除内建自测试逻辑以外的其它逻辑)尽可能完美的结合,通过软故障的模拟和注入,完全实现了故障检测、故障区分、故障定位等工作。五、通过理论计算和代价分析,在消耗资源不多的情况下,当微处理器发生故障时其可测试率达到了99%以上。

关键词：七级流水线 LEON3 整数部件内建自测试(BIST) 多输入特征寄存器(MISR) 故障覆盖率

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航空高可靠处理器容错设计与实现

航空高可靠处理器容错设计与实现

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作者：包斌国防科学技术大学

学位级别：硕士

本文主要围绕适用于星载计算机的宇航高可靠微处理器的设计和实现展开。空间辐射环境是宇航高可靠微处理器在设计时需要特别考虑的因素。本文研究了符合SPARC V8标准的Leon3微处理器体系结构,并在其基础上就单粒子翻转效应(SEU)对微处... 详细信息

本文主要围绕适用于星载计算机的宇航高可靠微处理器的设计和实现展开。空间辐射环境是宇航高可靠微处理器在设计时需要特别考虑的因素。本文研究了符合SPARC V8标准的Leon3微处理器体系结构,并在其基础上就单粒子翻转效应(SEU)对微处理器进行容错保护设计,使微处理器能避免一定量级的SEU错误。在modelsim模拟器中进行故障注入来验证容错设计的正确性,并构建FPGA平台来评估容错设计代价以及兼容性。论文的研究成果包括以下几点: 一.对空间辐射环境进行了初步的研究和分析,总结了对处理器行为有重大影响的几种辐射效应。在Leon 3架构基础上针对SEU的影响,提出了高可靠处理器容错体系结构设计策略。二.结合Leon 3现有的流水线实现技术,讨论了寄存器文件的容错机制,提出多种设计策略。综合考虑性能和代价之后,实现了基于汉明码的高可靠、低代价的寄存器文件容错设计。三.根据Cache系统的情况,提出了基于循环码校验的数据重载策略,实现了用循环码来检测Cache中的错误并通过数据重载更新错误数据的高可靠Cache控制器。四.通过体系结构容错设计,在消耗资源不多的情况下,使微处理器的故障率从0.46错误/设备-天降低到4.7788E-9错误/设备-天。

关键词：空间辐射 SEU 高可靠处理器故障率整数部件 Cache系统 Leon3

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