多级流水线结构高层次VHDL语言行为模型的研究.pdf

计算机辅助设计与图形学学报990409 计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUTER-AIDED DESIGN-COMPUTER GRAPHICS 1999　Vol.11　No.4　P.320-323 多级流水线结构高层次VHDL语言行为模型的研究 石峰　刘明业 摘　要：建立数字系统的高层次VHDL语言行为模型，是应用VHDL语言及自动综合系统以自顶向下 的方法进行大规模集成电路设计的基础.以RISC SPARC MB86901为例,讨论建立多级复杂流水线结构的 VHDL语言高层次行为模型的方法，同时对相关问题进行分析. 关键词：VHDL，行为描述，多级流水线 分类号：TP302 A RESEARCH ON THE HIGH-LEVEL VHDL BEHAVIOR MODEL OF MULTI-STAGE PIPELINE STRUCTURE SHI Feng (Research Center of ASIC, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081) LIU Ming-Ye (Research Center of ASIC, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081) Abstract ：To model a digital system behaviourally by VHDL on the high level is the basis on which a VLSI is designed by auto-synthesis system with the method of Top-Down. In this paper, the research on how to model a multi-stage pipeline structure behaviourally by VHDL on the high-level is given by taking the RISC SPARC MB86901 as an example and some associated problems have also been treated. Key words ：VHDL, behaviour description, multi-stage pipeline▲ 1　引言 　　利用VHDL语言进行专用集成电路（ASIC）的高层次行为描述具有直观、简洁、准确性高的特 点，随着Top-Down设计方法的推广和各种高层次综合系统的出现，逐渐被设计者所采用.多级流水线 结构是复杂时序数字系统中比较有代表意义的结构之一.研究如何用VHDL语言对多级流水线结构进 行较高层次的描述，对于利用VHDL语言从高层次行为功能的描述开始，采用Top-Down的设计方 法，进行复杂时序数字系统设计，是一件十分有意义的事.本文将以Fujitsu 公司生产的RISC SPARC 芯 片MB86901的流水线结构为例，给出一种多级流水线结构高层次行为功能描述的方法，并对与之相关 的问题进行深入的分析. 2　MB86901简介 　　MB86901是Fujitsu公司生产的主要用作图形工作站中央处理器（其中的整数单元IU)的芯片.该芯 片采用RISC指令集和SPARC结构，其指令集含有数据传送、算术逻辑运算、控制转移、控制寄存器 读写4类指令；大部分指令是单周期指令，少数为双周期或多周期指令.芯片内部采用4级流水线结 构，分为取指、译码、执行、写回4级，每级使用一个或多个相应的指令寄存器.该芯片的流水线结构 十分复杂，一般而言，对于流水线结构中所特有的各种数据相关及控制相关，通常的做法是在程序 的编译阶段进行优化或在硬件上插入等待周期加以解决.这种方法有时很难达到较高的流水效率，而 该芯片通过指令缓冲等专门结构从硬件设计上加以判断解决，使流水效率接近于1，因此其流水线结 构十分复杂.图1为流水线中寄存器部分的结构图.当流水线满载时，各级同时处理