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集成电路工艺的发展使得将系统集成在一块芯片中实现成为可能,芯片设计进入系统芯片(SoC)时代。针对嵌入式SoC应用中媒体处理应用的需求,嵌入式媒体处理器通过在嵌入式处理器上增强媒体处理性能可以大大加快嵌入式媒体SoC系统的开发速度,降低设计成本和系统成本,因此其IP核的设计与研究已经引起业界和研究机构的广泛关注。本文作者参与了浙江大学信息与电子工程学系SoC R&D小组承担的国家863超大规模集成电路设计重大项目和具有自主知识产权的多媒体系统集成芯片——MediaSoC设计和研发工作。本文将主要探讨集成于MediaSoC中的嵌入式媒体处理器IP核RISC32的设计研究。 本文共分为四章,第一章主要讨论了现有媒体处理器结构的分类和研究现状,并详细阐述了嵌入式媒体处理器IP核的研究意义;第二、三、四章为全文主体,主要探讨RISC32处理器设计中三个关键问题包括多媒体指令集扩展设计、流水线微结构优化设计以及使RISC32成为一个真正IP核的其他相关设计问题。本文主要内容与创新点如下: 本文在分析多媒体算法的基础上,讨论了在兼容MIPS-Ⅰ指令体系的单处理器结构上进行媒体增强扩展以增强其媒体处理性能的问题。随后,本文重点提出了一套基于标准单元的数据通路设计和优化方法,并以多媒体执行单元中分裂式媒体ALU和乘累加MAC单元的设计为例论证所提出方法的优越性和可行性。 为了实现整个RISC+SIMD流水线的控制,本文提出了一种基于有限状态机(FSM)的流水线控制策略和一种“可伸缩”的多媒体执行单元的控制结构;在此基础上,为了提高处理器频率,本文通过对流水线状态机逻辑的分析,提出一种将单一集中式控制状态机分解成多个部分控制状态机的设计,实验证明该设计可以有效地减小流水线控制信号引起的关键时延。 本文提出一种通过动态仿真形式确定的具有最优性价比的动态转移预测结构。实验证明,本文提出的动态预测结构可以在不影响RISC32频率的前提下有效解决RISC32流水线的控制竞争问题,减小处理器CPI值,同时可以消除应用程序因为转移延时槽指令不能有效调度而插入的空操作指令。 本文结合作者在双核媒体系统集成芯片MediaSoC设计开发的实际工作,讨论了将RISC32处理器IP核融入多媒体系统集成芯片的其他相关设计问题。 本文的各种设计思想被成功地应用到RISC32的开发中。RISC32处理器作为双核之一,被集成到本研究所自主开发的基于0.18μm工艺的媒体系统集成芯片MediaSoC中。根据MediaSoC芯片的成功设计经验,基于处理器IP核的媒体系统集成芯片相对于其他媒体处理解决方案,其设计复杂度低而且灵活,可以很好地解决多媒体处理问题。