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基于RISC架构的多线程微处理器设计及验证

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基于RISC架构的多线程微处理器设计及验证

作者：刘文凯西安理工大学

学位级别：硕士

微处理器的硬件多线程架构是计算机体系结构中一种重要的线程级并行方式,其以增加少量逻辑资源为代价,将单核映射为多个逻辑核,使处理器可以同时执行多个线程的指令。本文基于mips32指令集,设计了单核微处理器,在此基础上设置多个线程... 详细信息

微处理器的硬件多线程架构是计算机体系结构中一种重要的线程级并行方式,其以增加少量逻辑资源为代价,将单核映射为多个逻辑核,使处理器可以同时执行多个线程的指令。本文基于mips32指令集,设计了单核微处理器,在此基础上设置多个线程上下文环境以及共享流水线,将单核映射为四个逻辑核,使多个线程的指令可以在处理器内部交叉执行。本文在对同时多线程结构深入研究与总结的基础之上,设计了一个适用于RISC处理器核心的多线程微结构,用硬件实现可以同时运行四个线程指令的设计目标,处理器取指部件设计四个程序计数器,通过线程控制器完成各个线程的取指切换,每个线程拥有独立的通用寄存器文件,设计多线程流水线寄存器用于保存当前周期各线程的执行结果,设计协处理单元以实现其精确异常处理,多线程流水级执行部件中的译码器、功能部件ALU和访存控制器采用共享方式,处理器所有模块均使用Verilog硬件描述语言设计完成。针对多线程软核微处理器构建测试用例,完成了指令功能与系统功能的定向测试,并且搭建基于UVM验证方法学的SystemVerilog验证平台进行大规模随机验证,构造覆盖点数据完成了功能覆盖率统计分析。该硬件多线程微处理器内核在TSMC 40nm工艺下使用Design Compiler完成逻辑综合,其运行时钟频率达到550MHz,同时运行四个线程的指令使处理器的吞吐率和并行度大幅度提升。

关键词： mips架构多线程取指切换 UVM

基于AHB协议的mips内核总线结构优化及FPGA逻辑电路实现

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基于AHB协议的MIPS内核总线结构优化及FPGA逻辑电路实现

作者：张正威西安电子科技大学

学位级别：硕士

近些年来,随着集成电路规模的不断提高,芯片系统越来越复杂,片上系统SOC技术也越来越受欢迎并且在不断发展。其中,片上系统SOC的CPU核和起到各模块传输作用的总线系统,一般是利用IP和复用技术。在相同的资源条件下,并且片上系统的各功... 详细信息

近些年来,随着集成电路规模的不断提高,芯片系统越来越复杂,片上系统SOC技术也越来越受欢迎并且在不断发展。其中,片上系统SOC的CPU核和起到各模块传输作用的总线系统,一般是利用IP和复用技术。在相同的资源条件下,并且片上系统的各功能模块传输稳定的情况下,优秀的总线系统结构可以极大程度地提高系统传输效率。本论文对mips架构的M5100 CPU的传输特点和AMBA协议总线进行了分析和总结,以该架构下总线系统作为研究对象,以提升总线系统传输效率达到提升系统性能作为研究目标,并最终在FPGA开发板上实现逻辑电路。(1)mcurapper模块优化。对总线系统中集成CPU的mcurapper模块进行深入研究,并针对M5100 CPU协议转换模块数据流提出优化改进。将原先连接协议转换模块的信号进行分类输出。优化前由CPU发起的AHB操作和memory操作的所有信号都需转换为AHB协议信号,优化后CPU发起的memory操作的信号直接与外界协议转换模块互联。优化后的mcurapper模块在memory操作时的延时由多个时钟周期减少为一个时钟周期,传输效率得到了大幅提升,减少了因总线仲裁多个主机所带来的时延。(2)ahbam模块优化。对总线系统中外界协议转换模块ahbam进行研究,针对基于两种协议传输的外界协议转换模块数据流提出优化改进。将原有单一的AHB协议转换为memory协议信号,优化为通过模块内部状态机状态跳转判断外设存储设备接口选择AHB协议与memory协议信号进行交互。这种优化方式增加了多种协议访问存储设备的灵活性,提升了系统的整体性能。(3)仿真平台搭建及验证。搭建包括主从机的系统级仿真平台,根据设计原理规划验证项。主要验证方向为mcurapper模块的AHB协议的读写信号端口、memory协议的读写信号端口的时延,ahbam模块的AHB协议的读写信号端口、memory协议的读写信号端口的时延,系统时钟与各读写信号的相对位置。优化后读操作减少了6个时钟周期,提高了系统传输效率。

关键词：高性能系统总线 mips架构 CPU FPGA 总线结构

基于龙芯微控制器的IoT门锁嵌入式软件开发

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基于龙芯微控制器的IoT门锁嵌入式软件开发

作者：张丹阳西南大学

学位级别：硕士

门锁承载了保障人身安全和财产安全的守护重任,伴随着以物联网及智能化为核心的创新驱动,逐步显现出服务于“安心、放心、便捷”智能化生活的趋势。而基于物联网技术的门锁,在智能化生活中充当着极其重要的角色。随着公租房建设规模不... 详细信息

门锁承载了保障人身安全和财产安全的守护重任,伴随着以物联网及智能化为核心的创新驱动,逐步显现出服务于“安心、放心、便捷”智能化生活的趋势。而基于物联网技术的门锁,在智能化生活中充当着极其重要的角色。随着公租房建设规模不断扩大、房源数量持续增加、租住人数日益增多,其管理日趋复杂、碎片化且难度加大,急需能准确及时监管流动人口集中地域出租房的设备,而IoT门锁正是解决此难点问题的有效途径。IoT门锁是保障安全与隐私的基础,应杜绝外来芯片及软件的威胁,但实际情况却并不如意,现如今所面临的复杂国际形势,诸如中兴、华为事件,更是给国人敲响一个警钟。为了实现门锁智能化及国产软硬件的自主可控,本文结合公租房等应用场景,采用国产芯片——龙芯1C101作为主控芯片,在裸机无嵌入式操作系统的条件下,根据该场景下的用户需求,进行了IoT门锁嵌入式软件开发。但是,在进行基于龙芯微控制器的IoT门锁嵌入式软件开发时,存在以下问题:(1)龙芯1C101是龙芯中科在mips架构基础上研发的首片MCU,其技术参考资料匮乏,难以见到可作借鉴的应用开发样例,一切均需要从零开始摸索,对于嵌入式系统应用开发极具挑战性;(2)为确保软件的自主可控和资源的最大化利用,更好地实现软硬件的最佳耦合,在研发过程中,采用了无嵌入式操作系统的裸机开发,虽然mips架构本身有中断,但是,为充分发挥流水线设计思想,其中断优先级平等、无中断嵌套,而龙芯MCU本身也缺少硬件中断管理,这将会导致嵌入式系统在各种实时任务管理和执行方面存在较大的不足。针对上述问题,本文结合ARM架构的嵌入式应用开发经验,进行基于龙芯微控制器的IoT门锁嵌入式软件开发,弥补了龙芯1C101应用开发过程中的不足。此外,用软件方式创新定义了基于mips架构的中断管理控制器,进而设计研发出以国产芯片为主体、自主软件为根本的IoT门锁,形成了本文特色和独有优势。本文的研究内容及相关工作如下:(1)对应用于公租房等场景的IoT门锁进行了需求分析,包括功能需求分析和非功能需求分析。采取模块化设计方法进行了相关方案设计,其中包括IoT门锁的架构设计、硬件方案设计和软件方案设计,基于软硬件结合的架构设计进行嵌入式软件开发。(2)在嵌入式裸机开发过程中,立足于“国产芯片”和“中断管理机制”,本文借鉴ARM和RISC-V架构的相关研究,针对mips架构有中断但优先级平等,无中断嵌套且龙芯MCU无硬件中断管理机制的情况,根据IoT门锁的需求来构建中断优先级;根据预先构建的中断优先级来进行紧急事件对CPU的抢占,从而实现软件定义中断嵌套;通过利用本文中自定义的影子数组,嵌入式软件定义了“咬尾中断”,保证了低优先级中断不被随意丢弃且顺利执行;软件定义了一个具有完整中断管理机制的中断管理控制器,从而提高嵌入式软件的稳定性。(3)本文基于龙芯1C101嵌入式微控制器片上资源驱动及应用开发,再结合IoT门锁的具体应用特征,进一步延伸到本文中的其他国产组件,如指纹模块、刷卡芯片、NB模组等,对门锁的各个功能模块进行功能需求实现及应用开发,以裸机开发的方式,形成具有完全自主知识产权的嵌入式应用程序,研发出龙芯首片MCU的IoT门锁嵌入式软件。(4)完成了IoT智能门锁的嵌入式软件开发,将软硬件结合进行联调。结合串口调试助手软件,对本文软件定义的中断管理控制器进行了相关的测试验证。同时,在PCB板和外围功能模块等相关硬件共同搭建的实验平台上,实现了对IoT智能门锁基本功能的测试验证,证明了基于龙芯微控制器IoT门锁的可行性及实用性。

关键词： IoT门锁国产芯片 mips架构中断管理控制器嵌入式软件开发

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龙腾九州中国“心” 千元龙芯电脑架构分析

电脑自做 2006年第11期 125-130页

作者： Dr.BT

2006年9月13日是我国龙芯计划～个重要的里程碑。“64位龙芯2号增强型处理器(简称龙芯2E,英文名为 Godson-2)”通过科技部验收,该处理器最高主频达到1GHz,实测性能超过1.5GHz 奔腾4处理器水平。同日,“龙芯2号增强型处理器”通过了科技... 详细信息

2006年9月13日是我国龙芯计划～个重要的里程碑。“64位龙芯2号增强型处理器(简称龙芯2E,英文名为 Godson-2)”通过科技部验收,该处理器最高主频达到1GHz,实测性能超过1.5GHz 奔腾4处理器水平。同日,“龙芯2号增强型处理器”通过了科技成果鉴定。值得注意的是,龙芯2家族中,2E 是第一款量产的处理器,同时,装备龙芯2E 的龙梦电脑即将投入市场,这标志着龙芯2代处理器进入产业化进程。龙芯2从最初型号发展到现在的2E,经历了怎样的变化?龙芯2采用 mips 架构,比起目前的主流 CPU 性能究竟如何?龙梦电脑能和大家熟悉的主流 PC 竞争吗?Windows 操作系统能否支持龙芯处理器?应用程序软件能否满足大众的需求?这些都是大家关心的问题。

关键词： mips架构龙芯2号电脑 Windows操作系统奔腾4处理器中国九州科技成果鉴定

“龙芯”实验平台在《计算机组成与结构》课程教学实践中的应用

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中文科技期刊数据库（全文版）教育科学 2021年第9期 361-363页

作者：李晓飞曲巨宝武夷学院数学与计算机学院福建武夷山354300

针对传统的《计算机组成与结构》课程上缺乏实践和理论融会贯通的能力,为教师的实践教学带来极大的问题,将理论结合实际,分析龙芯教学实验平台的基本结构,提出将龙芯教学实验平台应用到《计算机组成与结构》实践教学的观点,培养学生的... 详细信息

针对传统的《计算机组成与结构》课程上缺乏实践和理论融会贯通的能力,为教师的实践教学带来极大的问题,将理论结合实际,分析龙芯教学实验平台的基本结构,提出将龙芯教学实验平台应用到《计算机组成与结构》实践教学的观点,培养学生的计算机“系统观”,使学生从计算机“使用”转变成计算机“造”的实践,弥补实践教学环节的缺失,培养具备“系统观”能力的计算机专业人才队伍,提高《计算机组成与结构》为主的教学水平为目标。

关键词：龙芯教学实验平台 mips架构 Linux操作系统多核处理器

mips移植Android“Honeycomb＂平台

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单片机与嵌入式系统应用 2011年第6期11卷 86-87页

美普思科技公司（mips Technologies，Inc）宣布，已正式授权获得Android3．0，即“Honeycomb”的源代码，并正将此最新版Android移植到mips架构。对设计An—droid产品的mips客户来说，这将显著加速基于mips构进行平板电脑和Google电视... 详细信息

美普思科技公司（mips Technologies，Inc）宣布，已正式授权获得Android3．0，即“Honeycomb”的源代码，并正将此最新版Android移植到mips架构。对设计An—droid产品的mips客户来说，这将显著加速基于mips构进行平板电脑和Google电视产品的开发。

关键词： mips架构移植平台 Google 电视产品平板电脑源代码客户

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瑞昱半导体获得多项mips处理器内核授权

电子与电脑 2011年第2期11卷 105-106页

美普思科技公司（mips）宣布，Jc设计公司瑞昱半导体（Realtek）已取得多项mips32处理器内核授权．再次肯定了对mips架构的长期承诺。瑞昱半导体将采用这些内核开发针对宽带、网络、数字家庭及其他多媒体应用的新一代SoC。

关键词： mips处理器半导体内核授权 mips架构 mips32 数字家庭 SoC

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业界动态

电子世界 2009年第7期 6-8页

快思聪DigitalMedia产品正式上市;Adobe和Broadcom使高清Flash视频能够在基于英特尔凌动处理器的上网本电脑平台上播放;Netronome携业界首款统一计算网络流处理器进入中国;Microchip推出电感式触摸传感模拟前端器件;mips公司授权中科院... 详细信息

快思聪DigitalMedia产品正式上市;Adobe和Broadcom使高清Flash视频能够在基于英特尔凌动处理器的上网本电脑平台上播放;Netronome携业界首款统一计算网络流处理器进入中国;Microchip推出电感式触摸传感模拟前端器件;mips公司授权中科院计算技术研究所使用业界标准mips架构;

关键词：计算技术研究所 Microchip Broadcom mips架构 Flash Adobe ia产品电脑平台

挑战ARM Imagination I6400处理器解析

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微型计算机 2014年第30期34卷 40-44页

作者：张平

ARM无疑是移动计算世界的霸主，但并不意味着别的厂商就没有任何机会。Imagination，这个移动图形领域的大厂在收购了mips的全套家当后，开始推出多款基于mips架构的产品，它真的可以和ARM一战吗？

关键词： ARM 处理器 mips架构解析移动计算移动图形