【摘要】： 一個(gè)良好算術(shù)邏輯單元(ALU)的設(shè)計(jì)對高性能微處理器的運(yùn)算速度起著甚為關(guān)鍵的作用。本論文基于近年來已有的算法及理論研究成果,在0.18μm CMOS工藝下采用全定制設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用型X處理器的ALU,整個(gè)過程從邏輯算法直到版圖驗(yàn)證等多個(gè)層次進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。 研究成果包括以下幾點(diǎn): 一.用“內(nèi)超外跳”法(組內(nèi)超前進(jìn)位,組間跳躍進(jìn)位)設(shè)計(jì)了32位ALU(兼容8位和16位)的核心加法器。為了能夠并行處理,ALU采用了U、V兩條流水線。在0.18μm及典型條件下,較為復(fù)雜的U流水版圖的關(guān)鍵路徑延時(shí)0.99ns,平均功耗72.9mW,版圖面積0.091mm~2,達(dá)到了較小的延時(shí)、功耗和面積; 二.設(shè)計(jì)了X處理器的26個(gè)通用寄存器,主要包括讀寫控制、寄存器體、清零和預(yù)沖四部分。在0.18μm及典型條件下最大延時(shí)為1ns,版圖面積為0.161mm~2; 三.設(shè)計(jì)了一款64位動靜相間級聯(lián)的多米諾型電路的ALU(加法器以Han-Carlson樹為結(jié)構(gòu))。在0.18μm工藝下,電路級的關(guān)鍵路徑延時(shí)0.23ns,平均功耗127.8nW。 四.提出了一種無時(shí)鐘腳管(Foot-Switch)的動態(tài)電路,在解決了時(shí)鐘之間及其與數(shù)據(jù)之間的配合之后,經(jīng)過模擬驗(yàn)證得到在上述64位加法器中延時(shí)大約減少了21%。 最后投片驗(yàn)證表明:部件能在300MHz主頻下正確穩(wěn)定的運(yùn)行,現(xiàn)已成功應(yīng)用在X微處理器中。
【圖文】：

頻率高達(dá)7G無幾。由于采用了最先進(jìn)的90nm工藝，雙電源電壓技術(shù)，獨(dú)特的邏輯和電路結(jié)構(gòu)等，該部件達(dá)到了非常高的性能[川。下圖1.1表示了算術(shù)邏輯部件在性能方面的發(fā)展。圖中縱坐標(biāo)為部件的運(yùn)行頻率，單位為G無[zo然而，國內(nèi)對于高性能算術(shù)邏輯部件的研究還不是很多，研究水平也不高。采用全定制對算術(shù)邏輯部件進(jìn)行專門設(shè)計(jì)的單位較少，大多數(shù)設(shè)計(jì)都是采用半定制的方法，因此性能較低，頻率一般只能達(dá)到 100凡任搶一200凡任{z。刀‘刀習(xí)4.0了.鄉(xiāng)了.口2.鄉(xiāng)2.0].丁1.00.50.0刀五CC〔毋 KHitachiIBMIntel-1Intel-2圖1.1算術(shù)邏輯部件性能發(fā)展這種情況與國內(nèi)高性能微處理器的研究水平相對落后有關(guān)。例如，2003年中科院研制的64位高性能微處理器“龍芯(Gedson)”問世，2005年又推出其第二代產(chǎn)品“龍芯2號，，[‘2][‘’][’4]。雖然該款處理器主頻號稱可達(dá)到400人任幾一500人任眾

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求進(jìn)行選擇。.串行進(jìn)位加法器(CRA)串行進(jìn)位加法器是最簡單、最基本的加法器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。串行進(jìn)位加法器的進(jìn)位像水波一樣依次通過每位，因此也稱為行波進(jìn)位加法器。它每次只能進(jìn)行一位運(yùn)算，因此速度很慢。B:Ai‘一困Ci_lFFFAAAAAFAAAAAFAAAAAFAAA圖2.1串行進(jìn)位加法器串行加法器的延遲隨著操作數(shù)位數(shù)的增加而線性增大。當(dāng)前大多數(shù)臺式計(jì)算機(jī)采用32位字長，而服務(wù)器則要求64位，超級計(jì)算機(jī)或多媒體處理器(如SONY的游戲機(jī) Playstation2)等速度很快的計(jì)算機(jī)要求的字長達(dá)128位。加法器速度與位數(shù)的線性關(guān)系使得采用串行進(jìn)位加法器很不實(shí)際〔“’〕。因此需要邏輯優(yōu)化，，使得加法器的延時(shí)今<o囚122〕。.進(jìn)位跳躍加法器(C凡、)進(jìn)位跳躍加法器是串行進(jìn)位加法器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。它將整個(gè)加法器分為幾個(gè)組，如果某組的所有進(jìn)位傳播信號都為‘。1”，則將該組的進(jìn)位輸入直接傳送到輸出，而不需要進(jìn)行進(jìn)位運(yùn)算。這個(gè)過程好像進(jìn)位做了一個(gè)跳過該組的動作
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：TP332

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 董博輝;多核處理器高性能ALU單元設(shè)計(jì)研究[D];西安電子科技大學(xué);2010年

本文編號：2644909