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RISC CPU對轉移指令的處理及仿真分析

作者: 時間:2012-03-12 來源:網(wǎng)絡 收藏

1 引言

的設計當中,器的性能的影響非常關鍵。決定著程序的執(zhí)行順序,在程序中的使用頻率很高。 中程序是以流水線的方式執(zhí)行的,當程序順序執(zhí)行時,下一條的地址與前一條指令的內(nèi)容無關 ;而在執(zhí)行指令時要根據(jù)轉移指令的執(zhí)行結果來確定下一條指令的地址,也就是說下一條指令的地址在轉移指令執(zhí)行之前是未知的,造成流水線的不連貫,影響了的效率。

轉移指令的方法很多,可分為預測法和非預測法,預測法又包含靜態(tài)預測和動態(tài)預測,靜態(tài)預測如總預測跳轉、正向不跳轉反向跳轉,動態(tài)預測如2比特計數(shù)器(2BC) 、BTC;非預測法如延時跳轉等[1]。這些基本方法合理組合之后可以得到很好的效果。

本文介紹的 CPU對轉移指令的處理方法,為5級流水線作業(yè),分別是取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、回寫,對轉移指令的處理在取指級和譯碼級完成;譯碼級給出轉移指令所包含的詳細信息,取指級包含有地址計算單元,轉移目標Cache (BTC),跳轉判斷單元等。對轉移指令的處理使用了延時跳轉、2BC以及BTC方法。

2 轉移指令的原理

該RISC CPU的指令集中包含有條件轉移指令和非條件轉移指令。所有的轉移指令均使用延時轉移,每條轉移指令后面跟隨一條延時槽指令;采用2BC預測條件轉移是否跳轉,而BTC則保存轉移目標為固定地址的轉移指令執(zhí)行后的信息。以下分別介紹在該RISC CPU設計中轉移指令的設計以及延時轉移、BTC、2BC的具體實現(xiàn)方法。

2.1 轉移指令類型及格式

該RISC CPU的指令集中包含條件轉移指令(BCC)和非條件轉移指令(CALL和RET),其編碼格式為圖1所示。CALL指令包含2位的操作碼和30位的絕對地址。BCC指令包含8位操作碼, 4位條件碼(Condition Code),19位偏移量以及1位用來區(qū)分指令是否帶A參數(shù)(即ANNUL操作)。所有的BCC指令使用相同的操作碼,不同的BCC指令用條件碼來區(qū)分,共有16類BCC指令;偏移量為帶符號數(shù),在低位用00擴展后可以對±220的相對地址尋址。RET指令包含8位的操作碼和兩個5位的寄存器地址。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/171905.htm

2.2 延時轉移

在該RISC CPU中,由于轉移指令只有在譯碼級才被識別,跳轉與否在譯碼級才能決定,因此在取下一條指令之前必須等待一個時鐘周期。為了減少流水線中的氣泡,緊跟轉移指令后面插一條與跳轉不相關的指令,即延時槽指令,不管跳轉是否發(fā)生,該指令都執(zhí)行。延時槽指令的插入由編譯器完成,當編譯器找不出這樣的指令時,就插一條NOP指令??紤]到減輕編譯器的難度,我們也采用了帶 A參數(shù)的轉移:當指令帶有A參數(shù)時,延時槽指令從轉移目標程序中取出,因此轉移發(fā)生時,延時槽指令執(zhí)行,而轉移不發(fā)生時,則禁止延時槽指令進入譯碼級。因一般而言非條件轉移指令出現(xiàn)的頻率遠低于條件轉移指令出現(xiàn)的頻率,非條件轉移指令的延時槽指令相對來說容易找到,所以非條件轉移指令不采用A參數(shù)選項,而條件轉移指令采用A參數(shù)選項。

2.3 2BC與BTC的設計

2BC與BTC對提高轉移指令的執(zhí)行效率起重要的作用。在RISC CPU中,轉移指令執(zhí)行一次后,有很大的概率會執(zhí)行更多次。對于轉移目標為固定地址的轉移指令(BCC和CALL),在其第一次執(zhí)行時使用BTC存儲相關的信息,當再次執(zhí)行時,直接讀出這些信息,控制程序的執(zhí)行順序,而不需要轉移指令本身進流水線。這可大大提高效率,但對于轉移目標不確定的間接轉移指令(如RET),BTC是無效的。另外,條件轉移指令(BCC)是否跳轉也是不確定的,本設計中采用2BC進行預測。

BTC為全相聯(lián)Cache,總共有16個單元,每個單元包含的信息有:TAG存儲執(zhí)行過的轉移指令的地址、DI存儲延時槽指令、CC存儲條件碼、TP 存儲轉移指令類型、AN存儲A參數(shù)攜帶標志,HI存儲轉移執(zhí)行情況的歷史記錄,即2BC,VI指示行數(shù)據(jù)是否有效。BTC包含BTC存儲、BTC命中以及BTC檢查三種工作任務。以下分別介紹2BC以及每種任務下BTC的工作情況?!?

2.3.1 2BC的作用及工作原理

因為轉移指令執(zhí)行一次之后,轉移目標地址、延時槽指令都保存在BTC中了,當該指令再次執(zhí)行時,這些信息就直接從Cache讀出,因此在取指級就可以得到跳轉目標地址和延時槽指令。對于非條件轉移指令,跳轉總是執(zhí)行,因此BTC命中時就可以直接決定下一條指令的地址為轉移目標地址,而當前周期DI被送到指令總線上;但對于條件轉移指令,跳轉與否是根據(jù)條件碼和ALU的標志位來決定的。如果轉移指令前面一條指令的執(zhí)行結果改變標志位,而當BTC命中時該指令還在譯碼級,則跳轉與否需要等待一個時鐘周期才能決定。為了避免因為等待而造成流水線的停頓,采用2BC當前的狀態(tài)預測跳轉是否執(zhí)行,在接下來的時鐘周期,標志位有效之后,再檢查預測是否正確,如果不正確,就進行更正。當預測準確時,采用2BC 與BTC可以使轉移指令的執(zhí)行時間縮短一個周期。即使預測不準確,與不采用預測相比也不會有損失。2BC的工作原理如圖2所示,初始值為Nx(第一次不跳轉執(zhí)行)或Tx(第一次跳轉執(zhí)行),t表示跳轉執(zhí)行,n表示跳轉不執(zhí)行。當HI為N或Nx時,預測跳轉不發(fā)生;當HI為T或Tx時,預測跳轉發(fā)生。


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