總線方面什么是綜述性論文,關于LEON微處理器綜述相關畢業論文提綱范文

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摘 要 :隨著集成電路設計水平和IC制造工藝水平的快速發展,在單芯片上集成微電子應用產品所需的所有功能的系統芯片(SoC)得到廣泛應用.系統芯片(SoC)開發的核心是微处理器IP核,實際上多數公司和研究機構不具備開發自己的处理器的能力,較為普遍的做法是購買已成產品的微处理器IP核,但是這需要支付為數不少的使用許可費用.還有另一種選擇,即使用開放源代碼的微处理器IP核.本文介紹了LEON系列微处理器的軟核架構、在SoC設計中的優勢以及片上總線.

關 鍵 詞 :LEON,可配置性,可移植性,AMBA

1LEON軟核架構介紹

LEON系列微处理器是歐洲航天局下屬研究機構(ESA)所開發的基于SPARC V8架構的32位精簡指令集計算機微处理器(Reduced Instruction Set Computer,RISC),包括Leon、Leon2、Leon3.LEON系列处理器軟核均以RTL級VHDL源代碼形式免費公布,使用者可以在GNUL GPL (Library General Public License )下使用和研究其源代碼.

LEON軟核是一個與SPARC V8兼容的整數处理單元IU(Integer Unit),LEON2是5級流水線,LEON3是7級流水線.LEON3微处理器具有以下特點:


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●七級流水線結構,

●具有硬件乘法/除法和MAC功能,

●獨立的指令和數據Cache(哈佛結構),

●可根據需求靈活配置Cache的容量,

●片上總線使用AMBA2.0規范,支持APB和AHB標準,

●具備一些片上常用外設(如UART、中斷控制、I/O接口、實時時鐘、看門狗等).LEON3微处理器軟核的可配置體系架構如圖1所示.

除了關鍵的微处理器外, 模塊也是制約系統性能的重要因素,在本文主要介紹以下幾個模塊:

IU單元LEON3的整數單元完全執行SPARC V8標準,包括硬件乘法和除法指令.寄存器窗口默認為8個,在SPARC標準(2-32)的界限內,可根據具体需求進行配置.七級流水線內含分立的指令和數據緩存接口,屬于哈佛結構.LEON3有一個可配置性優異的緩存系統,由一個分立的指令和數據緩存组成.指令緩存在線回填時使用流來最小化回填延遲.數據緩存使用直寫式(write-through)策略來執行雙字的寫緩沖.

FPU和協处理器LEON3提供浮點單元的接口和一個自定義的協处理器.有兩個可用௚

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0;FPU控制器,一個是用于高性能的GRFPU,另一個是用于Meiko FPU.只要不存在數據或者資源的依賴,浮點处理器、協处理器以及整數單元的并行執行并不會阻礙操作.

內存管理單元MMU內存管理單元MMU(memory management unit)遵循所有的SPARC V8的規范,實現了32位虛擬地址和36位物理存儲器的映射.MMU可配置多達64個完全關聯TLB入口,用于訪問正在運行的硬件和軟件代碼,方便后期調試.

2LEON在SoC芯片開發中的優勢

LEON微处理器具有良好的綜合性能,使用Dhrystone 2.1測試平臺對其進行測試時,其運算速度可以达到0.85 MIPs/MHz. LEON軟核最突出的優勢是其良好的可配置性和可移植性,以及遵循GPL許可證協議的開源性.

開源性 基于GPL許可證協議,LEON非容錯版本軟核IP提供VHDL源代碼,僅是容錯版本的LEON軟核需要商業授權.源代碼公開使研究者和開發者從根本上研究軟核的細節从而 滿足具体應用的軟核成为可能.

可配置性 LEON軟核有一套非常豐富的接口和運算單元IP核庫,用戶可以根據自己的需要對LEON軟核的絕大多數模塊進行配置,以达到性能、功耗和面積的平衡和優化.軟核IU可以配置流水線深度、地址和數據高速緩存, 設備可以掛載在AMBA總線上,而硬件加速單元可以根據需求集成.


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可移植性 LEON軟核通過層次分明的VHDL模型實現.通過VHDL中特定的配置接口,LEON核的關鍵參數(例如修改Cache的大小和組織方式,乘法器的生成,速度、芯片面積的調整以及容錯方案的選擇)都能夠靈活的設置和移植.

3LEON的總線系統

SoC設計往往涉及到IP核的可移植性和設計復用.這些IP可能是自己開發的,也有可能是來自第三方的.要把這些不同的IP核组成一個SoC系統,就需要這些IP核具有標準的接口,使用片上總線(OCB)就是解決這一問題的有效途徑.片上總線是基于以下原因而出現的:首先在SoC設計中,確實需要一個好的、可靠的SoC集成方法,其次,在大型的系統設計中需要有一個公用的接口規范來方便結構化設計,最后它還受到傳統的微機總線,如PCI、VME、ISA等系統集成方法的影響.作为SOC集成系統的互連結構,總線可以解決各個功能模塊間的相互通信問題,包括數據格式、通信聯絡、時序、協議等方面,从而為設計人員免去相當大的精力去考虑如何將自己設計的功能模塊和其它功能模塊連接起來,使得IP模塊集成起來更加方便.

目前已形成較有影響力的三種總線標準為:IBM公司的CoreConnect,ARM公司的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)和SilicoreCorp公司的Wishbone.LEON系列微处理器采用的是AMBA總線結構,本文詳細介紹AMBA總線.

AMBA(先進微控制器總線結構)提供了一種特殊的機制可以將RISC处理器和IP核與外設集成,定義了找組總線:AHB(AMBA高性能總線),ASB(AMBA系統總線)和APB(AMBA外設總線).一個典型的基于AMBA總線的系統框圖如圖2所示.

AMBA總線是一種層次化的總線結構,如圖3所示.從圖中可以看出,一個由AMBA總線構成的片上系統可以歸納為以下三個部分:

1、總線主設備:任何一個功能IP核都可以成为AMBA總線架構中的AHB主設備,只要其提供AHB高速總線所需要的主設備接口.而對于APB來說,它的主設備只有一個,即AHB- APB總線橋.

2、總線從設備:相應的總線也存在從設備,任何一個功能IP核也可以成为AMBA總線架構中的從設備,同樣的IP核也需提供AMBA總線架構(包括高速總線AHB,低速外設總線APB)所需的從設備接口.

3、總線互連模塊:這是整個AMBA總線架構的核心部分,它負責完成數據、地址和控制信號的選擇傳輸以及仲裁主設備分時占有總線的任務.

AHB 是一個高性能、高時鐘頻率的系統總線.AHB作为高性能系統的中樞總線,它支持处理器、片外存儲器與低功耗外設的高性能連接.同時,AHB的設計使得系統集成和自動測試技術的設計流程都更加方便、有效.AHB地址和數據總線獨立,最多支持16個主模塊和16個從模塊,所有從模塊都采用地址映射.AHB主要包括以下一些特性:單個時鐘邊沿操作,非三態的實現方式,支持突發傳輸,支持分段傳輸,支持多個主控制器,可配置32位 ~ 128位總線寬度,支持字節、半字和字的傳輸.

APB是為低功耗的 設備而設計的,AMBA APB為支持 設備而進行了降低功耗以及接口復雜性的優化設計,并且APB通過連接橋(Bridge)可以與任何版本的系統總線連接.APB只有一個主模塊即Bridge模塊,最多也可以支持16個外設,如通用IO接口,UART等.APB最重要的特點是最小功耗和易于使用,還包括以下主要特性:低性能、低功率,單控制器,非常簡單,只有4個控制信號(PRESETn、PSELx、PENABLE和PWRITE),有32位地址空間,多達32位數據總線,分開讀和寫數據總線等.

4結束語

本文介紹了LEON微处理器軟核的體系架構及IU、FPU等單元,論述了LEON微处理器自身的特點以及在SoC芯片開發中的優勢,說明了片上總線對SoC芯片的重要性,具体說明了LEON微处理器所應用的AMBA總線結構及各自的工作方式、特點.

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[8]JamesKim.Configurable Processors a New ErainChip Design[EB/OL]..省略,[2005-12-27](2007-06-18).


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