面向军事应用的数字信号处理器体系结构的研究与设计

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题名	面向军事应用的数字信号处理器体系结构的研究与设计
作者	周沈刚
答辩日期	2017-05
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	王东琳
关键词	数字信号处理器体系结构程序控制器乘累加器抗辐照加固
英文摘要	信息化的现代战争需求军用智能装备的快速发展，其中军用雷达、遥感、声呐、通信等数字信号处理系统的升级，对数字信号处理器（DSP）的性能提出了更高的需求，而“陆海空天”四维一体化的情报网络需求更需要DSP具有军品级和宇航级的可靠性以适应不同的应用环境。当前在役的武器装备所采用的主流DSP是基于某指令集的架构的DSP，该DSP已经在大量核心武器装备中使用，为了这些装备的快速增量式发展、保证装备的一致性和可靠性以及降低装备研发和长期维护过程中的成本，需要下一代装备中所使用的DSP指令集向前兼容。但是当前使用该指令集的DSP性能和功能已渐渐无法满足下一代军用装备的需求，所以迫切需要一款兼容该指令集并具有更高的性能和更强的功能的DSP。本文正是基于军方这迫切需求，在“核高基”、“型谱”等多个军方项目的支持下，对加强型DSP的体系结构、处理器核高效控制器结构、运算器的优化算法以及宇航级处理器的加固方法进行了深入的研究，并取得了以下研究成果：提出一种面向军事应用的加强型DSP体系结构。该结构基于当前国防装备中大量应用的DSP指令集，根据下一代武器装备的需求进行研究与设计。与当前装备的主流DSP相比，该结构增加了200%的IO吞吐率、220%的外部访存带宽；拥有更优秀的程序控制器与运算单元实现算法；拥有更快速的内部存储响应能力，大大提高程序运行时指令与数据供给能力。经过评测，处理器综合性能至少提高了一倍。本项目完成之后可使用该自主设计的军品级芯片代替原进口工业级芯片，提高武器系统的可靠性，其更高的高性能并具有高速通用通信接口等特点使其在国防领域具有更广泛的应用前景。提出一种可降低冗余操作的DSP程序控制结构。在该控制结构中，使用一种可减少异步中断冗余握手的中断申请方法，相比通用方法，本方法在中断申请阶段可减少76.47%的时间；使用一种可降低冗余执行的分支指令调度方法，该方法可降低分支预测失败时冗余执行的指令数，根据分支类型的不同，可降低50%-83.33%分支预测失败开销。经过评测，本DSP控制结构可提高22%的中断响应速度，并在预测命中率为50%的情况下，降低25%-37%的分支指令执行时间。提出一种32位可重构高速定点乘累加器的结构。针对可重构定点乘累加器的多处关键逻辑，本文使用了多种创新性的实现方法：一种无延时开销的重构方法，支持整数/小数、累加/累减的快速重构；一种基于前导0/1的整数乘累加结果位宽控制方法，可降低30%的整数结果位宽控制时间；一种基于并行预判算法的小数乘累加舍入方法，与当前成熟方法相比，在降低12%延时的基础上，在面积上也有优势。综合结果表明，相比成熟结构，本文提出的结构可降低20%的延时，相比于使用动态电路且定制实现的乘累加器，本设计可至少提高10%的性能。提出一种针对深亚微米和纳米级工艺处理器的加固方法。随着工艺尺寸的降低，当前一些成熟的加固方案已经无法满足当前宇航级高性能处理器的加固要求，本文提出的加固方法创新性的根据流水级路径松弛程度决定加固方式，而且在动态功耗控制、版图布局及时钟树的设计等方面均给出了加固方案，并将这些解决方案形成了易于嵌入当前ASIC设计的加固流程。与成熟的同类方案相比，本方案性能损耗低、可靠性高且动态功耗低。后端结果表明，相对于成熟方案使用高性能单元库对内核进行加固，本方案使用低性能低功耗的单元库仍可得到相同性能，并可降低40%面积，63%功耗。当前使用该方案加固的DSP已经在兰州进行了重离子单粒子实验，结果初步表明该DSP的抗单粒子辐照能力优于军方要求指标。
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/14651]
专题	毕业生_博士学位论文
作者单位	中国科学院自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	周沈刚. 面向军事应用的数字信号处理器体系结构的研究与设计[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017.