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研究生: 蘇侯斌
Hou-pin Su
論文名稱: ARM922T架構相容之系統協同處理器智財設計與驗證
The Design and Verification of a System Coprocessor IP Compatible with ARM922T Architecture
指導教授: 林銘波
Ming-Bo Lin
口試委員: 詹景裕
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白英文
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呂紹偉
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陳郁堂
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學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 87
中文關鍵詞: 嵌入式系統協同處理器
外文關鍵詞: embedded, system coprocessor
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在本論文中,我們設計與實現一個與ARM922T架構相容的系統協同處理器(System Coprocessor)智財(Intellectual Property, IP),透過此協同處理器將Proto-ARM9M微處理器、16 K位元組的快取記憶體(Cache Memory)、記憶體管理單元(Memory Management Unit, MMU)與AMBA匯流排介面(AMBA Bus Interface)整合成微處理器智財-Proto-ARM922。系統協同處理器的資料路徑(Data Path)為5級管線架構,由指令解碼器(Instruction Decoder)、暫存器陣列(Register File)與交握模組(Handshake Unit)所組成,可透過專用指令控制記憶體管理單元、快取記憶體、以及系統協同處理器與Proto-ARM9M之間的資料傳輸。
目前系統協同處理器已整合了Proto-ARM9M、16 K位元組的快取記憶體與AMBA匯流排介面於Xilinx的Spartan-3 XC3S1500-4FG676 FPGA以及TSMC 0.18 μm元件庫上實現。FPGA設計驗證部分,共使用了12901個LUTs,最高操作頻率可達14 MHz,並於實驗板上搭配自行開發的測試環境以驗證所有測試程式及功能。元件庫方面,核心面積為2580.48 μm × 2586.06 μm,等效閘數(Gate Count)為382854閘,整體晶片面積為3250.92 μm × 3256.34 μm,在SS模式下操作頻率為50 MHz。


In this thesis, a system coprocessor IP (Intellectual Property) compatible with ARM922T architecture, denoted as a Proto-ARM922 system coprocessor, is proposed. Through this coprocessor, the Proto-ARM9M microprocessor, a 16-KB cache memory, an MMU, and an AMBA bus interface are combined with the Proto-ARM922 processor into an integrated system. The datapath of the system coprocessor is a five-stage pipeline consisting of instruction decoder, register file, and handshake unit, and is used to control MMU, cache memory, and transferred data from/to Proto-ARM9M microprocessor through some dedicated instructions.
The resulting system has been implemented and verified with Xilinx Spartan-3 XC3S1500-4FG676 FPGA and TSMC 0.18 μm cell library. In the FPGA part, it takes 12901 LUTs and operates at the maximum working frequency of 14 MHz. In the cell-based part, the core occupies 2580.48 μm × 2586.06 μm, which is approximately equivalent to 382854 gates, and the whole chip occupies 3250.92 μm × 3256.34 μm, and in the SS (Slow NMOS Slow PMOS model) simulation condition it operates at the maximum working frequency of 50 MHz.

第1章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 章節編排 2 第2章 PROTO-ARM922簡介 3 2.1 ARM的發展現況 3 2.2 PROTO-ARM922系統架構簡介 3 2.3 PROTO-ARM9M簡介 5 2.3.1 程式者模型(Programmer’s Model) 6 2.3.2 指令集架構(Instruction Set Architecture) 9 2.3.3 資料路徑 13 2.3.4 時序說明 15 2.3.5 控制方法 16 第3章 PROTO-ARM922系統協同處理器系統設計 18 3.1 系統協同處理器簡介 18 3.2 PROTO-ARM922系統協同處理器暫存器的功能與特性 19 3.3 系統架構簡介 25 3.4 資料路徑 29 3.5 時序說明 30 3.6 控制方法 31 3.7 危障處理 32 第4章 PROTO-ARM922系統協同處理器資料路徑設計 34 4.1 PROTO-ARM922系統協同處理器資料路徑 34 4.1.1 指令解碼器(Instruction Decoder, ID) 34 4.1.2 暫存器陣列(Register File) 37 4.2 PROTO-ARM922系統協同處理器資料路徑控制單元 39 4.2.1 資料路徑的控制 39 4.2.2 交握模組(Handshake) 41 4.3 PROTO-ARM9M系統協同處理器指令資料路徑的控制單元 46 4.3.1 交握模組(Handshake) 47 第5章 PROTO-ARM922系統協同處理器矽智財設計與驗證 50 5.1 暫存器轉移層的設計驗證流程 50 5.2 PROTO-ARM922系統協同處理器智財的驗證流程 51 5.3 測試任務與測試程式之程式碼涵蓋率(CODE COVERAGE) 53 5.3.1 Proto-ARM922系統協同處理器測試任務 53 5.3.2 Proto-ARM922系統協同處理器測試程式 54 第6章 FPAG驗證與結果分析 58 6.1 FPGA驗證流程 58 6.2 FPGA合成與自動繞線結果分析 59 6.3 FPGA驗證系統之設計 60 6.4 PROTO-ARM922測試介面操作介紹 61 第7章 元件庫的實現與效能評估 65 7.1 元件庫設計的實現與驗證流程 65 7.2 合成 65 7.3 DFT與ATPG 66 7.4 自動化佈局 69 第8章 結論 73 參考文獻 74

[1] ARM922T Technical Reference Manual, ARM Ltd., 2000.
[2] Steve Furber, ARM System-on-Chip Architecture, Addison-Wesley, 2000.
[3] ARM Architecture Reference Manual, ARM Ltd., 2000.
[4] J. L. Hennessy and D. A. Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach, 3rd ed., Morgan Kaufmann, 2003.
[5] ARM9TDMI Technical Reference Manual, ARM Ltd., 2000.
[6] Andrew N. Sloss, Dominic Symes and Chris Wright, ARM System Developer’s Guide, Morgan Kaufmann, 2004.
[7] Samir Palnitkar, Verilog HDL, ed., Prentice Hall, 2003.
[8] D. A. Patterson and J. L. Hennessy, Computer Organization and Design: The Hardware / Software interface, 3rd ed., Morgan Kaufmann, 2005.
[9] http://www.arm.com
[10] 林晉禾,ARM v4指令集架構相容之微處理器智財設計與驗證,國立台灣科技大學電子工程研究所,碩士論文,2005。

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