嵌入式ASIP体系结构设计研究

摘要：介绍了几种通用的处理器体系结构，ASIP（专用指令集处理器）体系结构，研究分析ASIP传统的设计方法的不足，给出了基于ADL（体系结构描述语言）的ASIP系统级设计方法，描述了基于ADL的设计流程与优点。

关键词：专用指令集处理器，体系结构描述语言，体系结构，处理器

1.引言

嵌入式系统往往执行比较单一的任务。随着FPGA的快速发展，嵌入式软核处理器慢慢趋于流行，专用指令集处理器ASIP应运而生，ASIP是一种新型的具有处理器结构的芯片，它为某个或某一类型应用而专门设计。通过权衡速度、功耗、成本、灵活性等多个方面的设计约束，设计者可以定制ASIP达到最好的平衡点，从而适应嵌入式系统的需要。

2.通用处理器体系结构

微处理器常用的体系结构有两种―冯诺依曼结构和哈佛结构。Intelx86体系结构的嵌入式处理器属于冯诺依曼结构，805l体系结构、ARM体系结构、MIPS体系结构、PowerPC、DSP属于哈佛结构，冯诺依曼结构指令和数据存在一个Memory中，哈佛结构采用了指令和数据分开存储，双总线结构，嵌入式处理器大多采用哈佛结构，运行效率更高。采用冯诺依曼结构的微处理器的优点在于，兼容PC指令。给出两种典型的主流嵌入式处理器体系结构。

2.1MIPS体系结构

MIPS是美国历史悠久的RISC处理器体系，分为32-bit以及64-bit两大家族，以技术授权作为主要营利模式。Load/store Architecture（加载和保存结构），即为减小由于存取内存引起的处理器性能的下降，MIPS通过在芯片内集成大量的寄存器，来把所有操作都放在处理器的寄存器中执行而只有load/store指令才会访问内存。

2.2IntelX86体系结构

Intelx86是CISC处理器体系，x86体系结构支持三种操作模式：保护模式、实地址模式和虚拟模式。保护模式是32位处理器本身的操作模式。在这种模式下，所有的指令和结构特点发挥最高的性能和兼容性。实地址模式提供了Intd8086处理器的编程环境。虚拟8086模式让处理器在保护模式下执行8086软件及多任务环境。让嵌入式开发软件兼容windows环境。

3.ASIP体系结构

ASIP的提出是微处理器设计理念的一项重大创新。ASIP（Application―Specific Instruction set Processor）专用指令集处理器。它相对传统微处理器最大的特点就是其指令集针对特定应用专门设计，例如，算法操作的实现，传统处理器需要多条指令实现，ASIP则能定制一条专用指令，实现算法，大大缩短了运行周期，提高了CPU的运行效率。

3.1ASIP定义

ASIP指的是Application―Specific Instruction set Processor，专用指令集处理器。由于专用集成电路ASIC的应用灵活性较弱，无法更好的适应灵活多变的嵌入式领域，基于FPGA的ASIP专用指令集处理器应运而生，FPGA的可擦写以及支持硬件描述语言的硬件逻辑综合等特点，成为ASIP的设计实现的重要载体。

3.2基于ADL的ASIP设计方法

近年来嵌入式系统设计的在步骤上没有本质上的变化，但侧重点有了明显的变化：后期对自动化的支持变得相对的成熟，设计人员更多关注的是设计过程早期的更抽象的阶段。

（1）传统设计方法

软件工具的设计与处理器硬件的实现是完全分开的，两者是完全独立的，不存在软硬件协同设计的思想。往往在实践的过程中，大多数的错误都出现在本阶段。由于设计人员对软硬件接口定义的理解偏差，系统规范的无效以及未及时更改，还有就是无效的系统性能模型等都会造成错误。

（2）基于ADL的系统级设计方法

系统级设计分为系统级描述、系统级综合和系统级验证三个过程，在系统级设计方法学中，系统描述占据了非常重要的位置，选择什么样的系统描述语言会影响甚至决定综合和验证方面的具体技术。一个系统描述语言，相当于一个具体的设计开发平台。常用的ADL语言有systemc，pnml等，基于ADL的ASIP系统设计流程即，ADL系统描述、RTL系统综合、逻辑验证。

（3）基于ADL的系统级设计方法的实现

图2所示，是基于ADL的系统设计方法实现的设计主界面，采用的技术C++的MFC界面技术，图中能看出，已经将ASIP系统功能单元映射成了Quartus软件能识别的.bsf模块，导出的为.bdf文件，bdf文件能被Quartus软件逻辑综合，属于标准的HDL（硬件描述语言）文件，映射任务完成，保存导出的.bdf文件。

图2基于ADL的设计方法代码工程运行效果图

4.两类设计方法对比

5.总结

ASIP系统级设计方法的核心是系统级描述语言，传统的设计语言并不适合用于算法级和行为级的描述，它是面向低抽象级的。作者基于设计方法发展趋势，提出了基于ADL描述的系统级设计方法，与传统的设计方法比较，避开了不足，提高了ASIP专用处理器的设计效率，设计者在ADL语言类型的选取上还有待进一步研究，不同类型的ADL描述语言对整个系统的运行效率影响有待估计。