Generating processors from specifications of instruction sets
Ralf Dreesen · Habilitation Regulations of the Faculty of Mechanical Engineering (University of Paderborn) · 2011
Viele digitale Systeme beinhalten Mikroprozessoren, weil sie aufgrund ihrer Programmierbarkeit sehr flexibel einsetzbar sind. Einige dieser Mikroprozessoren sind auf den jeweiligen Anwendungsbereich zugeschnitten, um die Ausführungsgeschwindigkeit von Programmen zu steigern und Energie zu sparen. Eine effiziente Entwicklung solcher anwendungsspezifischer Prozessoren bedarf geeigneter Entwicklungswerkzeuge. Dazu trägt diese Arbeit, sowohl durch die Spezifikationssprache ViDL, als auch durch zwei Generatoren zur schnellen Entwicklung anwendungsspezifischer Prozessoren bei. Ein Entwickler spezifiziert einen Instruktionssatz in ViDL und generiert daraus sowohl einen Simulator, als auch eine mikroarchitektonische Implementierung eines Prozessors. Um die praktische Anwendbarkeit von ViDL zu demonstrieren, wurden reale Instruktionssätze wie ARM, MIPS, Power und CoreVA spezifiziert und entsprechende Simulatoren und Prozessoren generiert. Generierte Prozessoren erreichen eine Geschwindigkeit von ca. 600MHz für eine 65 nm STMicroelectronics low power Technologie. Der Prozessorgenerator erzeugt eine n-stufige Pipeline, wobei n automatisch anhand einer vom Benutzer gegebenen Zielfrequenz ermittelt wird (z.B. 600MHz). Folglich können ohne zusätzlichen Aufwand verschiedenste mikroarchitektonische Implementierungen generiert werden. Alle Prozessoren und der Simulator sind garantiert konsistent, weil sie vollautomatisch aus derselben Spezifikation erzeugt werden. Die Eignung ViDLs zur Exploration von Entwurfsräumen und Erweiterung von Instruktionssätzen wurde durch die Entwicklung eines anwendungsspezifischen Prozessors im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen. Der Prozessor namens DNACore basiert auf MIPS und wurde durch einen Satz anspruchsvoller SIMD Instruktionen erweitert, die die Ausführung des Smith-Waterman Algorithmus erheblich beschleunigen.