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適用于RISC CPU的轉(zhuǎn)移指令的原理及仿真

作者: 時(shí)間:2016-12-02 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言

在RISC CPU的設(shè)計(jì)當(dāng)中,轉(zhuǎn)移指令的處理對(duì)處理器的性能的影響非常關(guān)鍵。轉(zhuǎn)移指令決定著程序的執(zhí)行順序,在程序中的使用頻率很高。RISC CPU中程序是以流水線的方式執(zhí)行的,當(dāng)程序順序執(zhí)行時(shí),下一條指令的地址與前一條指令的內(nèi)容無(wú)關(guān) ;而在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)要根據(jù)轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行結(jié)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(zhuǎn)移指令執(zhí)行之前是未知的,造成流水線的不連貫,影響了CPU的效率。

轉(zhuǎn)移指令處理的方法很多,可分為預(yù)測(cè)法和非預(yù)測(cè)法,預(yù)測(cè)法又包含靜態(tài)預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),靜態(tài)預(yù)測(cè)如總預(yù)測(cè)跳轉(zhuǎn)、正向不跳轉(zhuǎn)反向跳轉(zhuǎn),動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)如2比特計(jì)數(shù)器(2BC) 、BTC;非預(yù)測(cè)法如延時(shí)跳轉(zhuǎn)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RISC CPU對(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理方法,為5級(jí)流水線作業(yè),分別是取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、回寫,對(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理在取指級(jí)和譯碼級(jí)完成;譯碼級(jí)給出轉(zhuǎn)移指令所包含的詳細(xì)信息,取指級(jí)包含有地址計(jì)算單元,轉(zhuǎn)移目標(biāo)Cache (BTC),跳轉(zhuǎn)判斷單元等。對(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理使用了延時(shí)跳轉(zhuǎn)、2BC以及BTC方法。

2 轉(zhuǎn)移指令的原理

該RISC CPU的指令集中包含有條件轉(zhuǎn)移指令和非條件轉(zhuǎn)移指令。所有的轉(zhuǎn)移指令均使用延時(shí)轉(zhuǎn)移,每條轉(zhuǎn)移指令后面跟隨一條延時(shí)槽指令;采用2BC預(yù)測(cè)條件轉(zhuǎn)移是否跳轉(zhuǎn),而BTC則保存轉(zhuǎn)移目標(biāo)為固定地址的轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行后的信息。以下分別介紹在該RISC CPU設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)移指令的設(shè)計(jì)以及延時(shí)轉(zhuǎn)移、BTC、2BC的具體實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 轉(zhuǎn)移指令類型及格式

該RISC CPU的指令集中包含條件轉(zhuǎn)移指令(BCC)和非條件轉(zhuǎn)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(duì)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(hào)數(shù),在低位用00擴(kuò)展后可以對(duì)±220的相對(duì)地址尋址。RET指令包含8位的操作碼和兩個(gè)5位的寄存器地址。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/324824.htm

2.2 延時(shí)轉(zhuǎn)移

在該RISC CPU中,由于轉(zhuǎn)移指令只有在譯碼級(jí)才被識(shí)別,跳轉(zhuǎn)與否在譯碼級(jí)才能決定,因此在取下一條指令之前必須等待一個(gè)時(shí)鐘周期。為了減少流水線中的氣泡,緊跟轉(zhuǎn)移指令后面插一條與跳轉(zhuǎn)不相關(guān)的指令,即延時(shí)槽指令,不管跳轉(zhuǎn)是否發(fā)生,該指令都執(zhí)行。延時(shí)槽指令的插入由編譯器完成,當(dāng)編譯器找不出這樣的指令時(shí),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(zhuǎn)移:當(dāng)指令帶有A參數(shù)時(shí),延時(shí)槽指令從轉(zhuǎn)移目標(biāo)程序中取出,因此轉(zhuǎn)移發(fā)生時(shí),延時(shí)槽指令執(zhí)行,而轉(zhuǎn)移不發(fā)生時(shí),則禁止延時(shí)槽指令進(jìn)入譯碼級(jí)。因一般而言非條件轉(zhuǎn)移指令出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)低于條件轉(zhuǎn)移指令出現(xiàn)的頻率,非條件轉(zhuǎn)移指令的延時(shí)槽指令相對(duì)來說容易找到,所以非條件轉(zhuǎn)移指令不采用A參數(shù)選項(xiàng),而條件轉(zhuǎn)移指令采用A參數(shù)選項(xiàng)。

2.3 2BC與BTC的設(shè)計(jì)

2BC與BTC對(duì)提高轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行效率起重要的作用。在RISC CPU中,轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行一次后,有很大的概率會(huì)執(zhí)行更多次。對(duì)于轉(zhuǎn)移目標(biāo)為固定地址的轉(zhuǎn)移指令(BCC和CALL),在其第一次執(zhí)行時(shí)使用BTC存儲(chǔ)相關(guān)的信息,當(dāng)再次執(zhí)行時(shí),直接讀出這些信息,控制程序的執(zhí)行順序,而不需要轉(zhuǎn)移指令本身進(jìn)流水線。這可大大提高效率,但對(duì)于轉(zhuǎn)移目標(biāo)不確定的間接轉(zhuǎn)移指令(如RET),BTC是無(wú)效的。另外,條件轉(zhuǎn)移指令(BCC)是否跳轉(zhuǎn)也是不確定的,本設(shè)計(jì)中采用2BC進(jìn)行預(yù)測(cè)。

BTC為全相聯(lián)Cache,總共有16個(gè)單元,每個(gè)單元包含的信息有:TAG存儲(chǔ)執(zhí)行過的轉(zhuǎn)移指令的地址、DI存儲(chǔ)延時(shí)槽指令、CC存儲(chǔ)條件碼、TP 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移指令類型、AN存儲(chǔ)A參數(shù)攜帶標(biāo)志,HI存儲(chǔ)轉(zhuǎn)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(chǔ)、BTC命中以及BTC檢查三種工作任務(wù)。以下分別介紹2BC以及每種任務(wù)下BTC的工作情況?!?br />
2.3.1 2BC的作用及工作原理

因?yàn)檗D(zhuǎn)移指令執(zhí)行一次之后,轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址、延時(shí)槽指令都保存在BTC中了,當(dāng)該指令再次執(zhí)行時(shí),這些信息就直接從Cache讀出,因此在取指級(jí)就可以得到跳轉(zhuǎn)目標(biāo)地址和延時(shí)槽指令。對(duì)于非條件轉(zhuǎn)移指令,跳轉(zhuǎn)總是執(zhí)行,因此BTC命中時(shí)就可以直接決定下一條指令的地址為轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址,而當(dāng)前周期DI被送到指令總線上;但對(duì)于條件轉(zhuǎn)移指令,跳轉(zhuǎn)與否是根據(jù)條件碼和ALU的標(biāo)志位來決定的。如果轉(zhuǎn)移指令前面一條指令的執(zhí)行結(jié)果改變標(biāo)志位,而當(dāng)BTC命中時(shí)該指令還在譯碼級(jí),則跳轉(zhuǎn)與否需要等待一個(gè)時(shí)鐘周期才能決定。為了避免因?yàn)榈却斐闪魉€的停頓,采用2BC當(dāng)前的狀態(tài)預(yù)測(cè)跳轉(zhuǎn)是否執(zhí)行,在接下來的時(shí)鐘周期,標(biāo)志位有效之后,再檢查預(yù)測(cè)是否正確,如果不正確,就進(jìn)行更正。當(dāng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確時(shí),采用2BC 與BTC可以使轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行時(shí)間縮短一個(gè)周期。即使預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確,與不采用預(yù)測(cè)相比也不會(huì)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(zhuǎn)執(zhí)行)或Tx(第一次跳轉(zhuǎn)執(zhí)行),t表示跳轉(zhuǎn)執(zhí)行,n表示跳轉(zhuǎn)不執(zhí)行。當(dāng)HI為N或Nx時(shí),預(yù)測(cè)跳轉(zhuǎn)不發(fā)生;當(dāng)HI為T或Tx時(shí),預(yù)測(cè)跳轉(zhuǎn)發(fā)生。

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