高性能32位移位寄存器單元的設(shè)計(jì)

　　這種結(jié)構(gòu)M位移位器所需的級(jí)數(shù)是log 2M每一級(jí)都由兩根信號(hào)線(shn和sh n#)控制數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)在第i級(jí)要么移動(dòng)2 i位或者不移動(dòng)。 樹(shù)狀移位器如圖3所示。

　　這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)晶體管數(shù)目少， n位移器所需晶體管數(shù)目為2×n×log n(傳輸門部分采用CMOS實(shí)現(xiàn))，版圖面積小于矩陣移位器;(2)控制信號(hào)shN～sh0本身就是二進(jìn)制表示,不需要額外的譯碼單元。缺點(diǎn)是：數(shù)據(jù)通路所需經(jīng)過(guò)的開(kāi)關(guān)管數(shù)目太多，M位移位器所需的級(jí)數(shù)是log 2M，因此導(dǎo)致延時(shí)太大。

　　3.2 矩陣-樹(shù)狀結(jié)構(gòu)移位器

　　由上面的分析我們可以看出，如果所設(shè)計(jì)的處理器為16位以下CPU，那其移位器不管采用上述哪種方案都能達(dá)到要求，但當(dāng)數(shù)據(jù)寬度到32位以上，從功耗，速度及版圖面積考慮以上方案的固有缺點(diǎn)就會(huì)顯得非常突出。在本設(shè)計(jì)中，移位寄存器的實(shí)際輸入為64位，為結(jié)合矩陣結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(速度快、版圖規(guī)整)和樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(晶體管數(shù)目少、譯碼簡(jiǎn)單)，我們?cè)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)中采用矩陣-樹(shù)狀結(jié)構(gòu)整個(gè)移位寄存器的是由雙總線輸入，即輸入64位，表1中列舉了不同級(jí)別比例的矩陣-樹(shù)狀結(jié)構(gòu)所需晶體管數(shù)目(n1為tree的級(jí)數(shù)，n2為matrix的控制線，n3為matrix中用的晶體管數(shù)目)。經(jīng)過(guò)綜合考慮，我們采用第2行的矩陣-樹(shù)狀級(jí)別比例，即矩陣部分最大能實(shí)現(xiàn)8位移位，樹(shù)狀部分最大能實(shí)現(xiàn)4位移位。

　　經(jīng)過(guò)各方面綜合考慮，我們所設(shè)計(jì)的移位寄存器的前級(jí)為矩陣結(jié)構(gòu)部分(輸入數(shù)據(jù)為64位，控制信號(hào)8位)，由這一部分形成一36位的數(shù)據(jù)送入下一級(jí)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)(輸入數(shù)據(jù)為36位，控制信號(hào)2位)部分再完成剩余的4位移位，形成32位輸出數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

　　在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，后級(jí)的樹(shù)狀移位器最高實(shí)現(xiàn)3 位移位。輸入的2bit信號(hào)為2進(jìn)制碼，這兩位由移位計(jì)數(shù)器sh4～sh0直接將最低兩位送入(在后一節(jié)將介紹)。前級(jí)的矩陣結(jié)構(gòu)完成64位輸入36位輸出，我們?cè)O(shè)64位數(shù)據(jù)輸入由Abus,Bbus提供，如圖5所示。每一小格代表4位數(shù)據(jù)。這64位數(shù)據(jù)送入矩陣移位器后，根據(jù)計(jì)數(shù)器的高三位sh4～sh2 進(jìn)行譯碼對(duì)其進(jìn)行4，8，12，16，20，24，28，32中的一種移位(對(duì)應(yīng)8bits中的一位為高)。形成36位的數(shù)據(jù)輸出送入下級(jí)樹(shù)狀移位器以完成剩余位數(shù)的移位。36位數(shù)據(jù)輸出格式如圖6所示。其中COUNT表示總共移位數(shù)。

　　4 指令的預(yù)處理及移位類指令的實(shí)現(xiàn)

　　在我們?cè)O(shè)計(jì)的這片CPU中，需要對(duì)INTEL的 X86系列移位類指令進(jìn)行兼容。因此移位寄存器單元需要在周圍譯碼和鎖存單元的配合下，要能在一個(gè)指令節(jié)拍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ROL，ROR，RCL，RCR， SHL，SHR，SAR，其中RCL，RCR實(shí)現(xiàn)了帶標(biāo)志位C的移位(指令說(shuō)明見(jiàn)文獻(xiàn)[4])。因此需由處理器的控制單元在每類移位指令移位之前進(jìn)行指令的預(yù)處理。

　　4.1 移位寄存器單元總體結(jié)構(gòu)

　　最終設(shè)計(jì)出的移位寄存器單元總體結(jié)構(gòu)如圖7 所示，其中其核心部分的矩陣-樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的移位寄存器就是使用上一節(jié)所描述的結(jié)構(gòu)。記數(shù)器中的數(shù)據(jù)(sh4～sh0)在移位上一拍由Bbus寫(xiě)入，并進(jìn)行譯碼，其中低兩位(sh1，sh0)直接送樹(shù)狀結(jié)構(gòu)移位部分，高三位(sh4,sh3,sh2)經(jīng)過(guò)譯碼產(chǎn)生8位控制信號(hào)送入矩陣移位部分。Abus和Bbus輸入鎖存器能鎖存32位數(shù)據(jù)輸入，并根據(jù)不同指令的要求進(jìn)行操作，對(duì)指令進(jìn)行預(yù)處理。移位結(jié)果送ALU輸出鎖存器，并對(duì)CF寄存器進(jìn)行設(shè)置。

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