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讲ADL（Architecture Description Language）的书
CHAPTER 1 Introduction to Architecture Description Languages 1
Prabhat Mishra and Nikil Dutt
1.1 What is an Architecture Description Language? . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 ADLs and Other Languages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Classification of Contemporary ADLs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Content-based Classification of ADLs . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Objective-based Classification of ADLs . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 ADLs: Past, Present, and Future . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Book Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
CHAPTER 2 ADL-driven Methodologies for Design Automation
of Embedded Processors 13
Prabhat Mishra and Aviral Shrivastava
2.1 Design Space Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Retargetable Compiler Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 Retargetability Based on ADL Content . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Retargetability Based on Compiler Phases . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Retargetability Based on Architectural
Abstractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Retargetable Simulator Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 Interpretive Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Compiled Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.3 Mixed Approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Architecture Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Implementation Generation Using Processor
Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 ADL-driven Implementation Generation . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Top-downValidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.1 Validation of ADL Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.2 Implementation Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
CHAPTER 3 MIMOLA—A Fully Synthesizable Language 35
Peter Marwedel
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 Origin of the Language. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Purpose of the Language. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.3 RelatedWork: State of the Art in the EarlyYears . . . . . . 38
3.1.4 Outline of this Chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Salient Features of the MIMOLA Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 Overall Structure of Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Declarations, DataTypes and Operations . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.3 Program Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.4 Structure Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.5 Linking Behavior and Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.6 Putting ThingsTogether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Tools and Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1 Design Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 The Front-end and Internal Design Representations . 48
3.3.3 Mapping to RegisterTransfers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.4 Simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.5 Architectural Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.6 Test Program Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3.7 Code Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.8 Overall View of the Dependence among MSSTools . . 57
3.3.9 Designs using MSS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.1 Evolution of Ideas and Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.2 WhatWent Wrong and WhatWent Right . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
CHAPTER 4 nML: A Structural Processor Modeling Language
for Retargetable Compilation and ASIP Design 65
Johan Van Praet, Dirk Lanneer,Werner Geurts,
and Gert Goossens
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 The nML Processor Description Formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3 A Structural Skeleton of the Processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.1 Memories and Registers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.2 Storage Aliases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.3 Transitory Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.4 Immediate Constants and EnumerationTypes. . . . . . . . 69
4.3.5 Functional Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Instruction-set Grammar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1 Breaking Down the Instruction Set: AND Rules
and OR Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.2 The Grammar Attributes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.3 Synthesized Attributes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.4 Action Attribute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.5 Image Attribute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4.6 Syntax Attribute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.7 Mode Rules and Value Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.8 Inherited Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5 Pipeline Hazards: Stalls and Bypasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5.1 Control Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5.2 Structural and Data Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.6 The Evolution of nML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.7 A RetargetableTool Suite for ASIPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.7.1 Chess: A Retargetable C Compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.7.2 Checkers: A Retargetable Instruction-set
Simulator Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.7.3 Go: A Hardware Description Language Generator . . . 88
4.7.4 Risk: A RetargetableTest-program Generator . . . . . . . . . 88
4.7.5 Broad Architectural Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.8 Design Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.8.1 Portable Audio and Hearing Instruments . . . . . . . . . . . . . 90
4.8.2 Wireline Modems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.8.3 Wireless Modems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.8.4 Video Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.8.5 Network Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
CHAPTER 5 LISA: A Uniform ADL for Embedded Processor
Modeling, Implementation, and Software
Toolsuite Generation 95
Anupam Chattopadhyay, Heinrich Meyr,
and Rainer Leupers
5.1 Language-based ASIP Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.1 Intuitive Modeling Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.2 ISA Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.3 Structure Modeling: Base Processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.4 Levels of Abstraction in LISA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.1.5 LISA-based Processor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2 Automatic SoftwareToolsuite Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2.1 Instruction-set Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.2 The Compiler Designer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2.3 Custom Instruction Synthesis for LISA-based
Processor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.4 Instruction Opcode Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3 Automatic Optimized Processor Implementation . . . . . . . . . . . . . 110
5.3.1 Automatic Generation of RTL Processor
Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3.2 Area andTiming-driven Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3.3 Energy-driven Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.4 Automatic Generation of JTAG Interface
and Debug Mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4 Processor Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4.1 Equivalence Check via Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.2 Generation of Test Vectors from LISA Descriptions
for Instruction Set Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5 System Level Integration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.5.1 Retargetable Processor Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.5.2 Multiprocessor Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6 Compact Modeling of Advanced Architectures. . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.6.1 VLIW Architecture Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.6.2 Partially Reconfigurable Processor Modeling . . . . . . . . . 122
5.7 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.7.1 ASIP Development for Retinex-like Image
and Video Processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.7.2 Retargetable Compiler Optimization for SIMD
Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
CHAPTER 6 EXPRESSION: An ADL for Software Toolkit Generation,
Exploration, and Validation of Programmable
SOC Architectures 133
Prabhat Mishra and Nikil Dutt
6.1 Expression ADL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.1.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.1.2 Behavior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.2 SoftwareToolkit Generation and Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2.1 Retargetable Compiler Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.2.2 Retargetable Simulator Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.2.3 Design Space Exploration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.3 Architecture Synthesis for Rapid Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.3.1 Synthesizable hdl Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.3.2 Rapid Prototyping and Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.4 Functional Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.4.1 Specification Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.4.2 Test Generation Using Model Checking . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4.3 Implementation Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
CHAPTER 7 ASIP Meister 163
Yuki Kobayashi,Yoshinori Takeuchi, and Masaharu Imai
7.1 Overview of ASIP Meister. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.1.1 Framework Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.1.2 Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.1.3 A Short History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.1.4 ASIP Meister Usage in Academia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.2 Architecture Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.3 ADL in ASIP Meister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.3.1 Overview of ADL Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.3.2 Specification Entry Using GUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.3.3 Microoperation Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.3.4 VLIW Extension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.4 Generation of HDL Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.4.1 DFG Construction from Microoperation
Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.4.2 Pipeline Registers and Datapath Selectors
Insertion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.5 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.5.1 mips and DLX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.5.2 M32R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.5.3 MeP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.7 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
CHAPTER 8 TIE: An ADL for Designing Application-specific
Instruction Set Extensions 183
Himanshu A. Sanghavi and Nupur B. Andrews
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.1.1 Adapting the Processor to the Application. . . . . . . . . . . . 183
8.1.2 Tensilica Instruction Extension Language
and Compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.2 Design Methodology andTools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.2.1 Designing Application-specific Instructions . . . . . . . . . . 184
8.2.2 Design Automation with the TIE Compiler . . . . . . . . . . . 186
8.3 Basics of TIE Language. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.3.1 A basic TIE Acceleration Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.3.2 Defining a Basic TIE Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.3.3 Instruction Encodings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.3.4 Instruction Datapath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.4 Adding Processor State. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8.4.1 Defining a State Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8.4.2 Defining a Register File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.4.3 DataType and Compiler Support. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.4.4 Data Parallelism and SIMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.5 VLIW Machine Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.5.1 Defining a VLIW Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.5.2 Hardware Cost of VLIW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.6 Language Constructs for Efficient Hardware
Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.6.1 Sharing Hardware between Instructions. . . . . . . . . . . . . . 201
8.6.2 TIE Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.6.3 Defining Multicycle Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.7 Custom Data Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.7.1 ImportWire and Export State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.7.2 TIE Queue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.7.3 TIE Lookup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
8.8 Hardware Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.8.1 Microarchitectural Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.9 Case Study of an Audio dsp Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.9.1 Architecture and ISA Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.9.2 Implementation and Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
CHAPTER 9 MADL—An ADL Based on a Formal and Flexible
Concurrency Model 217
Wei Qin, Subramanian Rajagopalan, and Sharad Malik
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.2 Operation State Machine Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.2.1 Static OSM Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.2.2 Dynamic OSM Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
9.2.3 Scheduling of the OSM Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.3 MADL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.3.1 The AND-OR Graph: A Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.3.2 The Core Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.3.3 The Annotation Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.4 Support forTools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.4.1 Cycle Accurate Simulator (CAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.4.2 Instruction Set Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.4.3 Disassembler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.4.4 Register Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.4.5 Instruction Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.6 RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
CHAPTER 10 ADL++: Object-Oriented Specification
of Complicated Instruction Sets and
Microarchitectures 247
Soner Önder
10.1 Flexible Architecture SimulationToolset (FAST) . . . . . . . . . . . . . . 248
10.1.1 Overview of theToolset. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.2 The FAST/ADL Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.2.1 Timing of Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.2.2 Time Annotated Actions and Parallelism
in the Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.2.3 Microarchitecture Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.2.4 ISA Specification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.2.5 Putting itTogether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.3 Review of Complex Instruction Set Architectures . . . . . . . . . . . . 260
10.3.1 Variable Length Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
10.3.2 Many Memory Addressing Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.3.3 Overlapping Registers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
10.3.4 Mixed Arguments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.3.5 Assembly Language Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.4 Sets and Regular Expressions as Language Constructs . . . . . . . 264
10.4.1 Registers and Their Specification Using Sets. . . . . . . . . . 264
10.4.2 Regular Expressions and Addressing Modes . . . . . . . . . . 265
10.5 InstructionTemplates and Multiple Conditional
Inheritance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.5.1 Inheritance with aTwist: Multiple Conditional
Inheritance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.5.2 InstructionTemplates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.6 Object-oriented Microarchitecture Specification . . . . . . . . . . . . . 270
10.6.1 Artifacts as Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.6.2 Deriving Complex Architectures From Objects . . . . . . 272
10.7 Epilogue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.8 History of FAST and ADL++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
CHAPTER 11 Processor Design with ArchC 275
Guido Araujo, Sandro Rigo, and Rodolfo Azevedo
11.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
11.2 Syntax and Semantics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.3 Integration through aTLM Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.3.1 ArchC TLM Interfaces and Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
11.3.2 TLM Interrupt Port . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11.3.3 AWord on ArchC Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.4 A Multicore Platform Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
11.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
CHAPTER 12 MAML: An ADL for Designing Single
and Multiprocessor Architectures 295
Alexey Kupriyanov, Frank Hannig, Dmitrij Kissler,
and Jürgen Teich
12.1 History of MAML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
12.2 Description of Single Processor Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . 298
12.2.1 Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
12.2.2 Example of a VLIW Processor Architecture . . . . . . . . . . . 305
12.3 Description of Multiprocessors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
12.3.1 RelatedWork. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
12.3.2 Description of Parallel Processing Elements. . . . . . . . . . 308
12.3.3 Parametric Domains as a Description Paradigm . . . . . . 310
12.3.4 Description of Adaptive InterconnectTopologies . . . . 313
12.3.5 Case Study of aTightly Coupled Processor Arrays . . . . 316
12.4 Approaches andTools around MAML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.4.1 Application Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
12.4.2 Design Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
12.4.3 Interactive Visual Architecture Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
12.4.4 Simulator Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
12.4.5 Architecture Synthesis for Rapid Prototyping . . . . . . . . 324
12.5 Conclusions and FutureWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
12.6 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
CHAPTER 13 GNR: A Formal Language for Specification,
Compilation, and Synthesis of Custom
Embedded Processors 329
Bita Gorjiara, Mehrdad Reshadi, and Daniel Gajski
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
13.2 Overview of NISC Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
13.3 Modeling NISC Architectures and Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
13.3.1 GNR Formalism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
13.3.2 GNR Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
13.3.3 GNR Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.3.4 Basic Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.3.5 Hierarchical Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
13.3.6 Modeling an NISC Architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
13.3.7 Communication Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
13.3.8 Generating RTL Code from GNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
13.4 Experiments: Design-space Exploration Using
NISC and GNR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
13.4.1 Designing General-purpose NISCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
13.4.2 Custom Datapath Design for DCT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
13.4.3 Communicating NISC Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
13.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
13.6 IndexTerms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
CHAPTER 14 HMDES, ISDL, and Other Contemporary ADLs 369
Nirmalya Bandyopadhyay, Kanad Basu,
and Prabhat Mishra
14.1 HMDES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
14.1.1 HMDES Language. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
14.1.2 Structural Overview of Machine Description . . . . . . . . 373
14.1.3 Trimaran Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
14.2 ISDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
14.2.1 ISDL Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
14.2.2 ISDL-driven Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
14.3 RADL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
14.4 SIM-nML. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
14.5 UDL/I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
14.6 Flexware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
14.7 Valen-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
14.8 TDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
14.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
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发表于 2014-8-16 09:58:51
