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高性能数字信号处理器中动态电路设计的关键技术研究
其他题名Reserch on Key Technologies of Design for Domino-Logic-Based High-performance Digital SignalProcessor
林玻
学位类型工学博士
导师王东琳 ; 张志伟
2015-05-27
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业计算机应用技术
关键词动态电路 多米诺逻辑 高性能处理器 建库 单边化 电路综合 逻辑单元库 推泡法 Domino Logic Dynamic Circuits Algebraic Processor High Performance Design Flow Cell Library Synthesis Bubble Pushing
摘要动态电路的概念自20世纪80年代被提出来,因其具备晶体管数目少、扇入电容小、跳变速度快、流水开销小等优点,而被广泛应用于各种高性能处理器中。自动化所正在承担研发的高性能代数处理器对性能、面积、功耗等指标都具有极高的要求,动态电路因其卓越性能而被纳入设计当中,故迫切需要建立一套动态电路设计流程。然而,基于动态电路的设计存在较多的难题,市场上的商用工具均不支持动态电路的设计,而且目前并没有形成一种业界所通用和开放的方法与流程。如现有的业界产商并未提供可进行设计的动态逻辑单元库,且主流EDA工具不支持动态电路的建库,这使得动态电路建库工作成为电路设计的一大挑战。此外,多米诺逻辑电路要求单边性(即不存在反向逻辑),导致电路的自动化综合变得很困难,亦无商用EDA工具支持。针对以上问题,本文主要研究在动态电路设计中所涉及的三方面内容,分别为动态单元的建库、电路自动化综合以及电路的单边化(unate transform)。 (1)针对目前业界并不提供可进行设计的动态逻辑单元库,以及商用EDA工具不支持动态电路单元的刻画与建库的情况,本文提出了一种动态单元的建库方法,包括制定刻画的具体参数,如时序、延时、功耗等动态参数,以及对这些参数刻画的方法,包括使用PassFail/Bisection方法提取时序信息、电荷累积方法提取电容信息以及电流积分方法提取功耗信息等。并自动生成刻画仿真激励,利用仿真工具Hspice对动态电路单元进行参数提取。最终实现了对动态单元的参数自动化刻画以及建库工作。相比NanoTime工具,本方法的刻画结果具有更健全的参数信息与更高的数据精度,且能够更好地支持大逻辑单元的刻画,并成功应用在XXX处理器设计实践中。 (2)针动态电路单元存在综合工具难以辨识的时钟端,以及逻辑参数库中仅存在具有单边性质的逻辑单元,而未能被EDA工具综合的问题,本文提出了一种通过对动态单元建立相应的伪静态库,而实现利用现有EDA工具对动态电路自动综合的方法。本文采取了对原有动态单元库去时钟化以及逻辑扩充的方式,建立一套能够被综合工具识别与逻辑映射的伪静态逻辑库,使得动态电路能够被自动综合。该方法已经成功实验,并具备较好的稳定性。相比于传统设计动态电路的人工定制综合方法,本方法具有更优越的综合效率,时间耗费获得两个数量级的减少。 (3)针对动态电路不具备反向逻辑,逻辑跳变仅能单向跳变的问题,本文提出一种基于bubble pushing方法实现电路单边化的层级推进算法。首先,将电路中的单元进行逻辑表达式提取,并使用多叉树结构对提取的表达式进行表示与变换。然后,在此基础上将电路映射为一个基于多叉树元胞的逻辑网络。最后,再利用层级推进算法,依次对逻辑网络自后级向前级推进,以实现对电路的反向逻辑向前推进效果。本方法获得比较好的推进效果并大大提高时间效率,实验表明,相比传统方法,时间节省在10%以上。 总的来说,本文从对动态电路设计实现出发,深入研究了其设计流程中的若干关键性问题,并获得了一定的成效,为动态电路设计实现方面的发展做出了积极的研究与实践探讨。
其他摘要Since the concept of the dynamic circuits were proposed in 1980s, it has been widely used in various high-performance processors since it has few integrated transistors, small fan-in capacitance, fast transition speed, and takes small expenses in pipeline. The Institute of Automation Chinese Academy of Sciences undertakes a project on the high-performance Algebraic processor, which has a crucial requirement about its performance, area and power. Since dynamic circuits have the advantage of ultra-high speed, this logic style is taken into consideration in our designment. Therefore, the design flow of the dynamic circuits is urgently needed to be set up. However, numerous difficulties exist in designing the dynamic circuits, as IC manufacturers do not provide designable logic cell library, and popular EDA tools do not support establishing libraries for dynamic circuits, which make great challenges in building libraries for dynamic circuits. Moreover, as the requirement of unilateral transform for Domino Logic(i.e. there is no reverse logic), automaticsynthesis of the circuits becomes difficult. To solve the problems above, this paper studiesin three aspects of designing the dynamic circuits, namely building a library of dynamic units, synthesise the circuits and the circuit unate transform. (1) As current IC manufacturers do not provide designable logic cell library, and no commercial EDA tools support describing or building the library of dynamic circuit units, a method of building the library for dynamic units is proposed. The method gives detailed parameters for dynamic circuits, including those in timing sequence, delay, power consumption, and particular parameters in dynamic circuits. The method to describe these parameters is also proposed, and the extraction for the parameters is realized by the simulation tool Hspice. The proposed method accomplishes the establishment of the library and it can extractthe attributes of the dynamic units automatically, which is successfully applied in the design practice.This proposed methodyields more complete information of attributes and more accuracydata than those produced from the NanoTime tool, and it also performs better in characterizingbig cell. (2) As for the absence of EDA tools to support the synthesis of dynamic circuits, a method to synthesise dynamic circuits using existing EDA tool is proposed, by establishing pseudo-static libraries used in dynamic units. The main reason why dynamic circuits canno...
其他标识符201218014629093
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6716
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
林玻. 高性能数字信号处理器中动态电路设计的关键技术研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学,2015.
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