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随着集成电路制造工艺的飞速发展，最先进的CMOS工艺已可以在一个芯片上集成数十亿个晶体管。当前CPU或DSP主要以提升工作频率的方法来改善其性能。然而，该方法在芯片设计、制造及功耗等方面面临着巨大挑战，而且频率提升也已接近物理极限。因此在兼顾设计与制造复杂度和成本的前提下，如何大幅提升性能已成为处理器芯片设计的一个关键问题。多核处理器在片上集成了大量的CPU和DSP等处理器核，通过软件编程完成复杂的计算及控制功能，为上述处理器设计中面临的问题提供了一个良好的解决方案。本文以多核处理器的架构设计及软件编程方法为目的，深入研究了片上互联、共享存储机制、核间同步与数据通信等关键问题，主要研究内容和贡献如下：
1.提出一种新颖的主从异构多核处理器结构，该处理器包含一个主CPU及若干从DSP，同时还包括共享存储器、硬件信号量和点对点邮箱等模块。
2.提出一种包含缓存、私有便笺式存储器和共享便笺式存储器的混合式存储器结构。针对共享便笺式存储器，设计了虚拟地址寻址和绝对地址寻址两种访存模式机制，有效地提升了访存效率。
3.提出一种用于异构多核处理器核间同步的硬件信号量结构。利用硬件信号量模拟软件信号量的行为，避免了处理器原子操作指令的使用。相对于通过原子操作指令实现核间同步的方法，该方法编程高效。同时，还通过结合中断管理模块和功耗管理模块进一步提升处理器的性能。
4.为实现以异构多核处理器为节点的片上网络扩展，提出一种基于胖树结构的片上网络访问外部存储器的方法。该方法解决了常规二维网格结构访存延迟大、节点访存效率不平衡及所需路由器数目较多等问题。
5.针对本文的主从异构多核处理器结构，提出一种基于共享存储和消息传递的混合编程模型。对该模型制定编程规则、定义通信和任务管理的应用程序接口，降低了编程复杂度，并且提高了应用程序的执行效率。