基于高速缓存资源共享的TLB设计方法

针对嵌入式处理器中旁路转换缓冲（TLB）功耗和面积显著的问题,提出一种共享高速缓存硬件资源的低功耗TLB设计方法,消除了传统方法中TLB存储器的硬件资源及静态功耗.该方法通过设立两级TLB低功耗架构和缓存地址映射表,有效减少TLB的访问次数,降低了功耗;利用高速缓存的结构特性动态扩展TLB表项,扩大对物理内存的映射范围,提升TLB命中率.进一步提出了一种复用缓存替换策略的TLB表项的编码加锁方法,减少页面抖动,缓和TLB表项与指令、数据的资源冲突.实验结果表明:与传统的TLB设计相比,应用本方法的嵌入式处理器的功耗下降28.11%,面积减少21.58%.     

汇聚路径指令级重用性能优化研究

针对特定的单边吊床结构,根据C语言编译后生成的代码特征对控制无关Y-行为的特例——误预测指令流重新精确汇聚到正确路径进行动态检测,并利用指令重用降低分支误预测代价,对处理器性能进行优化.实现跨基本块的控制无关Y-行为动态检测,并将相关信息保存到处理器前端汇聚点表中;通过寄存器集成与存储器集成保证正确的相关性;为实现汇聚路径指令级重用,将指令分为可信与不可信两种;可信指令直接提交,不可信指令被插入到恢复缓冲中重新执行.避免了处理器清空流水线和取指重定向,降低了误预测代价.实验表明,对于不同测试基准处理器性能均有所提升,而且随着流水线的加长该机制更加有效.     

基于历史链接关系的指令高速缓存低功耗方法

针对现代嵌入式处理器中指令高速缓存功耗显著的问题,提出一种基于Cache行间访问历史链接关系的指令高速缓存低功耗方法.通过创建独立可配置的顺序及跳转链接表项,利用链接表项中缓存的历史信息,消除Cache行间访问时对标志位存储器和冗余路数据存储器的访问功耗.进一步提出可复用的链接状态单元,克服了传统方法中由于缓存缺失引起的清空和重建链接表项的缺陷,显著降低了指令高速缓存访问功耗.实验表明,与传统指令高速缓存相比,本方法在取指单元面积仅增加1.35%的情况下,可平均减少标志位存储器访问次数96.38%.     

基于分类访问的低功耗联合式cache方案

片上cache通常消耗大部分的现代处理器功耗,为此提出一种低功耗分类访问方案,用来降低指令和数据共享的联合式cache功耗.通过增加一个类型指示位,cache的每一个块被动态划分为指令块和数据块.对于指令或数据访问,只有类型匹配的块会被访问.通过该方法,不必要的存储体访问很容易被过滤掉,相应的访问功耗也被节省下来.该方案仅需要少量的硬件开销,不会增加cache的访问延迟,而且对面积的影响几乎可以忽略.采用11个Spec 2000标准测试程序的实验结果表明,分类访问方案可以有效降低联合式cache的功耗.     

局部动态重构在SOPC中的应用

提出一种在Xilinx平台上基于模块的局部重构设计方法,并将其应用在片上可编程系统SOPC中.在现有Xilinx软硬件平台上,以XC2VP40内嵌的PowerPC处理器内核为基础,通过XC2VP40内部配置访问通道（ICAP）,对挂在OPB总路线上的DCT IP模块和IDCT IP模块进行动态重构.该方法实现了局部重构技术在SOPC中的应用,及FPGA硬件资源的高速时分复用,降低了系统功耗,提高了系统硬件资源的利用率.     

基于邻行链接访问的低功耗指令高速缓存

通过分析高速缓存访问的局部性原理,提出当前高速缓存访问行与若干紧邻行链接访问的低功耗指令缓存访问方法.该方法能够在发生相对跳转时依托于相邻行之间的访问链接信息,精确获得跳转目标行的路访问信息,减少对高速缓存标志存储器的访问,达到降低动态功耗的目的.在高速缓存行发生替换时,仅需检测并清除被替换行相邻范围内的若干缓存行的链接信息,从而实现链接关系的正确性.与基于路记忆访问的高速缓存器相比,应用该方法的高速缓存器的动态功耗可以平均减少6%.     

基于BP神经网络的处理器节能技术研究

研究芯片功耗中动态功耗部分,针对传统动态节能技术动态电压与频率调节（dynamic voltage and frequency scaling,DVFS）技术未能考虑预测CPU未来阶段行为的不足,提出BP-DVFS节能策略。为了提高下一阶段CPU利用率的预测准确性,更准确地对CPU进行动态调频进而降低其运行功耗。构建了一种FPU-CPU（forward predict utilization CPU）模型。模型假设下一时间段CPU利用率与CPU运行资源有关的事件特征量存在非线性函数关系,从处理器运行时环境出发提取出与CPU资源紧密相关的5个特征量进行度量,采用BP神经网络进行拟合训练。用训练后得到的神经网络预测CPU下一阶段的利用率,进行CPU处理不同类型任务程序的功耗仿真实验。并在相同实验条件下与常用的3种CPU调频策略实验结果进行对比。实验结果表明,在CPU处理不同类型任务程序时,采用BP-DVFS策略进行调频的CPU功耗都低于其他3种策略进行调频的CPU功耗。通过实验验证,本文提出的方法提高了预测CPU利用率的准确度,降低了CPU运行时功耗。同时验证了假设的合理性与有效性以及此方法实现CPU低功耗运行是有效的。     

支持程序无缝切换的高性能硬件堆栈

针对函数调用中上下文切换产生的性能损失,提出一种支持程序无缝切换的嵌入式处理器高性能硬件堆栈.高性能硬件堆栈包括数据栈和返回栈,采用动态可重构的两级缓存机制,消除程序切换的性能开销.数据栈实现单周期多数据压栈/出栈,隐藏程序切换中的堆栈操作;返回栈实现指令超前预取,消除程序返回时流水线气泡.数据栈与返回栈分别复用数据和指令高速暂存器,实现用户可重构的二级缓存.实验结果显示：本方法平均提升性能10%以上,功耗降低2%.     

基于提前写回策略的数据转发优化方法

针对深度流水线和复杂指令集结构,给出一种基于操作数访问时序的数据转发模型,使用5个参数描述指令执行过程,并以一种RISC/DSP结构MediaDSP64原型机为例进行分析.在分布式转发电路的基础上,提出一种基于提前写回策略的转发优化方法.该策略在不影响指令执行效率的前提下,通过将DSP指令中辅助寄存器的结果提前写回寄存器文件减少了转发源的数量.针对该方法造成的指令乱序执行情况,设计一种影子寄存器结构,保证了精确异常处理的实现.实验结果表明,转发电路的硬件资源占用减少了43.8%,关键路径延时下降了19.8%.     

基于指令统计的SOPC硬件资源优化技术

在可编程片上系统（System on Programmable Chip，SOPC）中，特定应用程序中用到的指令是软核CPU指令集的子集，如果在FPGA中实现软核CPU时仅保留应用程序用到的指令子集，将可以提高硬件资源利用率．文中分析了对应用程序进行指令统计的方法，重点介绍了通过修改HDL文件对8051软核CPU指令集进行删减和扩充的技术．采用这一技术设计的SOPC芯片硬件资源利用率得到了显著的提高，降低了系统成本，适用于可编程逻辑资源受到限制和对成本敏感的嵌入式应用中．     

视频处理器软硬件协同设计

为了提高视频图像处理速度与硬件资源利用,针对一种基于精简指令集处理器与数字信号处理器（RISC/DSP）混合体系结构的媒体处理器：浙大数芯（MD32）,给出了一种软硬件协同设计策略.所给策略结合视频处理核心算法,研究分析MPEG视频编码标准的处理过程,进行了视频处理指令扩展设计,提高了数据的并行处理能力,利用了指令内并行执行特性.为有效实现扩展指令,处理器执行级采用了可扩展流水级技术.实验结果表明,指令扩展硬件成本仅占MD32的2.7%,逆离散余弦变换实现性能比MMX/SSE指令集实现的性能分别提高31%和23%,运动补偿性能比MMX指令集实现的性能提高了40%.     

一种缓冲区溢出防御虚拟机的研究与实现

指出保护地址信息和状态信息的完整性是防御的重点,从为用户程序搭建运行时系统环境,以指令最终进入处理机执行为主线,运用虚拟机技术动态检测、控制关键指令和部分系统调用,给出一种基于进程虚拟机动态防御缓冲区溢出的防御方案.     

一种嵌入式MPU指令译码器设计

针对与Intel系列微处理器兼容的嵌入式微处理器单元（MPU），讨论其译码器的设计问题。通过分析比较两种可行的读入方案，择优选用了在状态机控制下的指令读入机制，并设计了具有8个状态的状态机来控制指令读入，实现了复杂指令简单化的目的。采用表格技术将译码器与微程序的设计分离。译码器位于MPU指令流水线的中部，其输出队列的长度影响MPU的性能，中近似采用M／M／1／K排队系统的分析方法，确定了输出队列长度。译码器MPU的其它部分联调完成后，使用具有实际意义的应用程序进行测试的结果表明，该译码器的设计是合理有效的。     

开放型项目教学的研究与实践

通过学习和借鉴德国FH实践教学模式,在立体化实验教学体系和传统的项目教学模式的基础上,提出了一种开放型项目教学模式。该模式将第一课堂和第二课堂有机地结合起来,提高了学生自主学习的积极性,实现了对学生应用能力、思维能力、设计能力、创新能力和科研能力等的全面培养。实践证明,该模式可以作为连接理论学习和实践操作的桥梁,成为培养高层次应用型人才的有效途径之一。     

加强多媒体网络教学环境建设 逐步完善MCAI体系

本文通过分析信息社会对教学模式的新需求和我院多媒体网络教学系统建设现状,论述了基于校园网多媒体网络教学系统的教学模式,提出了逐步完善我院多媒体ＣＡＩ（简称ＭＣＡＩ）体系的几点思考。     

基于规则推理的虚拟指令翻译

研究了虚拟指令翻译技术,设计了一种基于规则推理的虚拟指令翻译器,实现目标指令到虚拟指令的翻译.该翻译器以指令解码器的解码结果为输入,匹配指令翻译规则,充分利用了目标指令的语义信息.同时,翻译规则与控制逻辑的分离使得添加新指令集及修改翻译策略相对容易.给出了关键问题的解决方法,测试结果表明,该翻译器能正确翻译多种指令集,具有较高的实用价值.     

传输指令和比较指令在编程中的应用

本文主要介绍了S7-200型PLC传输指令和触点比较指令的特点和使用方法,并以交通信号灯为例,给出了应用比较指令和传输指令进行红绿灯控制编程的方法,使PLC程序结构更加紧凑、语句更简洁,可以方便快捷的完成控制要求。     

T形多分支管气液两相分流特性的数值模拟

T形多分支管分离器含有复杂多分支结构,广泛应用于两相及多相流研究中。借助流体模拟仿真工具Fluent,模拟了不同时刻T形管中油气两相流动情况,得到了各分支管内油气分离特性及进出口处的质量流量数据。结果表明,当油气两相混输液流经T形管时,重力的作用使管道中的油气两相分布不均匀;随着时间的增加,顶部汇气管的输出物大部分为气体,而下方汇油管的输出物大部分为液体,从而实现油气的初步分离。选取分支管高度不同的T形管进行仿真,分析其油气分离现象的特性;再选取不同的T形管主管入口流速,观察入口流速对油气分离现象的影响;最后,通过观察各管道的湍流旋涡结构和流场特性,研究湍流拟序结构在相同结构处的规律性和重复性的特点,以及分支管高度对流型和湍流旋涡的影响。