CN107688704A - 基于Petri网模型的ASIP行为逻辑综合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算机体系结构的设计，特别是涉及一种针对专用指令集处理器的体系结构的设计，具体来说包括如下三个步骤：步骤1.建立基于Petri网的ASIP流水线行为模型，并采用PNML进行规范性描述；步骤2.根据Petri网与状态机的有机关联机映射为状态机视图后，实现逻辑综合；步骤3.将EDA工具链生成的硬联逻辑，下载到真实物理环境SoC中检验与运行，进行性能评估，优化流水线设计。本方法作为一种极具潜力的系统级设计方法，获得了规范的Petri网模型语义与行为，可以预期验证系统功能的正确性，还能作为综合工具的输入以及系统技术文档标准，并且可以通过第三方工具扩展其可执行描述功能。

Description

基于Petri网模型的ASIP行为逻辑综合方法

技术领域

本发明涉及一种计算机体系结构的设计，特别是涉及一种针对ASIP(ApplicationSpecific Instruction Set Processor，专用指令集处理器)体系结构的设计。

背景技术

流水线是处理器的核心组成，并且设计及其优化极其复杂。除了教科书上提供基本运行原理外，不会给出实现细节。现有流水线设计主要采用传统的逻辑设计方法，设计其数据通道和控制器状态机，要靠设计者的经验；当然，采用先进的EDA软件可以部分提高设计效率。

现有设计方法中，将典型情形下的流水线信号时序组合定义为相应的状态，并通过状态机时序逻辑实现。由于直接面对最底层的信号时序，对于复杂(多发射、乱序、相关等)和特殊(ASIP用户定制指令)的行为，设计难度和周期就会增加；相应的验证、调试也就会更加困难，更不用说优化与扩展了。

本专利所要解决的技术问题是：

①建立Petri网流水线模型

采用Petri网模型中位所、迁移、托肯等元素建立流水线行为模型，并通过PNML(Petri网标记语言)描述其行为逻辑。

②状态机视图映射

利用Petri网模型与流水线状态机元素的有机关联，如位所与状态、迁移与转换、托肯与条件等，映射为状态机视图。状态机视图是流水线及其控制逻辑传统设计方法，从而保证了行为逻辑可以实现综合。

发明内容

本方法基于Petri网模型对ASIP流水线行为建模，并采用PNML进行规范性描述；进而根据Petri网与状态机的有机关联机映射为状态机视图后，实现逻辑综合；最终产生可以仿真验证的功能模块，进行性能评估，优化流水线设计。

具体来说包括如下三个步骤：步骤1.对ASIP流水线行为建立Petri网模型，并采用PNML进行规范性描述；步骤2.根据Petri网与状态机的有机关联机映射为状态机视图后，实现逻辑综合；步骤3.将EDA工具链生成的硬联逻辑，下载到真实物理环境SoC中检验与运行，进行性能评估，优化流水线设计。

有益效果

Petri网作为一种系统建模工具，特别适合描述系统的控制流、并发和异步特性，与状态机行为模型相比更具优势。本发明方法通过建模将复杂问题抽象化，借鉴Petri网强大的建模能力以及较完善的验证手段，建立流水线行为模型，并通过PNML进行描述，再映射为状态机视图，最终的综合逻辑直接用于ASIP功能模块设计及其硬件实现。

PNML语言严格定义了对象元模型的语义，并为对象结构、行为的捕获和通信提供了符号表示，是基于模型的系统级设计方法。同时，其规范化特性也为设计角色间互相交流消除了二义性，提高设计效率。

高级CPN模型中token可以带有信息，克服了传统Petri网中仅仅将其看作一般初始化的不足。在描述多种相关情形时，通过定义颜色集对进行模型简化和规整，加强了Petri网的建模能力。

本方法作为一种极具潜力的系统级设计方法，得了规范的Petri网模型语义与行为，可以预期验证系统功能的正确性，还能作为综合工具的输入以及系统技术文档标准，并且可以通过第三方工具扩展其可执行描述功能。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1是RISC流水线Petri网模型；

图2是TTA流水线Petri(P/N)网模型；

图3是TTA流水线Petri(CPN)网模型；

具体实施方式

流水线行为逻辑及其ADL描述模型是处理器设计的关键问题之一，进一步得到基于Petri网模型的流水线ADL描述，即PNML，经第三方工具验证后综合为HDL，并在EDA和SoC环境中进行体系结构探索及优化。

在计算机体系结构中，可以用Petri网中的位置用来表示系统的局部状态，如队列、缓冲、资源等；变迁则用来描述引起系统状态改变的事件，如信息处理、存储器读写、数据收发等操作；弧表明状态和事件之间的关系，还能凭借位置容量和弧权表述其中的数量属性，从而给出基于Petri网模型的流水线行为。流水线的本质是部件、行为以及时序的集合，它们之间的映射关系便决定了流水线的结构。流水线结构中的元素可以分成两类：一类是寄存器，用于存储数据；另一类是执行部件，它反映了指令的功能行为。在Petri网模型中，可以用库所映射存储部件，用变迁表示功能执行，用扩展token的流动来模拟指令在流水线中的流动。

本发明专利的实现包括如下步骤：

步骤1.建立基于Petri网的ASIP流水线行为模型，并采用PNML进行规范性描述；

通过映射行为、构件和时序，Petri网流水线模型可描述不同的目标体系结构，它是一种有效的形式验证机制。基本的Petri网模型由一个三元组N＝(P，T，F)构成。其中P为位置(也称库所)集合，包括Token标识，描述点火行为，T为迁移集合，F关系集合称作弧。基于Petri网模型将集合P＝{PC，IR，RF，MEM}映射为状态一系列的状态，可以描述流水线工作状态和物理对象；T＝{IF，ID，EXE，L/S，WB，stall}用于描述指令流水段行为，使得Petri网具有执行语义。3种典型流水线Petri网模型描述如下：

①RISC(精简指令集)流水线Petri网模型如图1所示：

流水线的基本对象有指令缓冲寄存器IR、数据缓冲寄存器DR、rs缓冲寄存器A、rt缓冲寄存器B以及ALU缓冲寄存器C，5段流水为IF、ID、EXE、L/S、WB。模型中全面表述了J(跳转)、B(分支)、R(寄存器)、I(立即数)和LS(存储器)各类指令行为。

②TTA(传输触发体系结构)流水线P/N Petri网模型如图2所示：

典型TTA包含3类基本寄存器，即操作数寄存器、触发寄存器和结果寄存器。其中触发寄存器触发数据传输，有效位V控制流水线功能阶段，逻辑单元则作为功能单元组合逻辑部分。

③TTA流水线CPN(着色网)Petri网模型如图3所示：

CPN使token着色，即具有数据属性，对于描述复杂对象非常有效。对于指令中源、目的寄存器采用统一译码，通过让token具有不同的数据属性来描述指令的具体功能。

与状态机相比Petri网模型更加强调了变迁的实质，很好地兼顾了流水线控制器与数据路径的描述与设计。

PNML描述

PNML是基于XML交换格式标准的Petri网模型描述的语言，它采用了UML元模型，即PNML Core Model来定义共享概念。它们之间映射的元素如表1所示：

表1 PNML Core Model元素表

参照图1RISC流水线Petri网模型，得到其PNML基本描述：

<place id＝"p1"><name><text>C</text></name></place>//RISC C库所

<place id＝"p2"><name><text>......</text></name></place>//RISC其它库所

<transition id＝"t1"><name><text>EXE</text></name></transition>//EXE迁移

<transition id＝"t2"><name><text>......</text></name></transition>//其它指令

参照图2TTA流水线Petri网模型，得到其PNML描述：

<place id＝"p3"><name><text>FU</text></name></place>//TTA FU库所

<transition id＝"t3"><name><text>TR</text></name></transition>//触发迁移

<transition id＝"t4"><name><text>V0</text></name></transition>//V＝0迁移

<transition id＝"t5"><name><text>V1</text></name></transition>//V＝1迁移

<transition id＝"t6"><name><text>R</text></name></transition>//读结果迁移

步骤2.根据Petri网与状态机的有机关联映射为状态机视图后，实现逻辑综合；

即PNML描述的Petri网流水线模型，以及传统方式描述的ASIP系统，如布尔方程式、真值表、状态机等都将通过EDA工具链自动综合为芯片对应的逻辑组件。

逻辑综合能够找到基于系统功能和性能需求，且支持结构单元库的系统架构的最优或可行性实现。针对采用上述ADL，即PNML描述的Petri网流水线模型，以及传统方式描述的ASIP系统，如布尔方程式、真值表、状态机等都将通过EDA工具链自动综合为芯片对应的逻辑组件，如寄存器和门级网表，最终下载到真实物理环境SoC中检验与运行。

Petri网比状态机更加适合模型行为描述。一个基本的三元Petri网模型N＝(P,T,F)的HDL实体代码如下所示：

步骤3.将EDA工具链生成的硬联逻辑，下载到真实物理环境SoC中检验与运行，进行性能评估，优化流水线设计。

本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于基于Petri网模型的ASIP行为逻辑综合方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.建立基于Petri网的ASIP流水线行为模型，并采用PNML进行规范性描述：

Petri网流水线模型通过映射行为、构件和时序描述不同的目标体系结构，由一个三元组N＝(P，T，F)构成；其中P为位置(也称库所)集合，包括Token标识，描述点火行为，T为迁移集合，F关系集合称作弧。Petri网模型用集合P＝{PC，IR，RF，MEM}描述流水线工作状态和物理对象，集合T＝{IF，ID，EXE，L/S，WB，stall}用于描述指令流水段行为，进而映射为一系列的状态。

PNML是基于XML交换格式标准的Petri网模型描述的语言，它采用了UML元模型，即PNMLCore Model来定义共享概念。它们之间映射的元素如表1所示：

表1 PNML Core Model元素表

根据RISC流水线Petri网模型，得到其PNML基本描述：

<place id＝"p1"><name><text>C</text></name></place>//RISC C库所

<place id＝"p2"><name><text>......</text></name></place>//RISC其它库所

<transition id＝"t1"><name><text>EXE</text></name></transition>//EXE迁移

<transition id＝"t2"><name><text>......</text></name></transition>//其它指令

根据TTA流水线Petri网模型，得到其PNML描述：

<place id＝"p3"><name><text>FU</text></name></place>//TTA FU库所，

<transition id＝"t3"><name><text>TR</text></name></transition>//触发迁移，

<transition id＝"t4"><name><text>V0</text></name></transition>//V＝0迁移，

<transition id＝"t5"><name><text>V1</text></name></transition>//V＝1迁移，

<transition id＝"t6"><name><text>R</text></name></transition>//读结果迁移。

步骤2.根据Petri网与状态机的有机关联映射为状态机视图后，可以实现逻辑综合：

即PNML描述的Petri网流水线模型，以及传统方式描述的ASIP系统，都将通过EDA工具链自动综合为芯片对应的逻辑组件；

一个基本的三元Petri网模型N＝(P,T,F)的HDL实体代码如下所示：

步骤3.将EDA工具链生成的硬联逻辑，下载到真实物理环境SoC中检验与运行，进行性能评估，优化流水线设计。