適用于RISC CPU的轉(zhuǎn)移指令的原理及仿真研究

本文介紹的RISC CPU對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移指令的處理在取指級和譯碼級完成；譯碼級給出轉(zhuǎn)移指令所包含的詳細信息，取指級包含有地址計算單元，轉(zhuǎn)移目標Cache (BTC)，跳轉(zhuǎn)判斷單元等。對轉(zhuǎn)移指令的處理使用了延時跳轉(zhuǎn)、2BC以及BTC方法。

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

2 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。

3 2BC的作用及工作原理

因為轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行一次之后，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)目標地址和延時槽指令。對于非條件轉(zhuǎn)移指令，跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移指令，跳轉(zhuǎn)與否是根據(jù)條件碼和ALU的標志位來決定的。如果轉(zhuǎn)移指令前面一條指令的執(zhí)行結(jié)果改變標志位，而當BTC命中時該指令還在譯碼級，則跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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HI為N或Nx時，預測跳轉(zhuǎn)不發(fā)生；當HI為T或Tx時，預測跳轉(zhuǎn)發(fā)生。

4 BTC命中

在取指周期開始時如果發(fā)現(xiàn)當前取指地址包含在BTC的TAG中，并且對應行的VI也有效，則認為BTC命中，從而啟動命中任務：讀出命中行的數(shù)據(jù)，把DI送到指令總線，如果是CALL指令，轉(zhuǎn)移目標地址作為下一條指令的地址；如果是BCC指令則需要判斷跳轉(zhuǎn)是否發(fā)生：當標志位有效時，根據(jù)條件碼與標志位判斷，否則根據(jù)HI進行預測，然后確定下一條指令的地址：跳轉(zhuǎn)時為轉(zhuǎn)移目標地址，不跳轉(zhuǎn)為PC+2。對于帶A參數(shù)的BCC指令，在跳轉(zhuǎn)不執(zhí)行時，要禁止DI在下一時鐘進入譯碼級。BTC命中的流程如圖3。

5 BTC檢查

如果前一周期BTC命中，則在當前周期開始時啟動BTC檢查任務；如果前一周期BTC是根據(jù)HI預測BCC的跳轉(zhuǎn)，那么在當前時鐘標志位有效后，要重新判斷跳轉(zhuǎn)決定是否正確，如果不正確就要進行更正，給出正確的取指地址，請求在下一時鐘禁止譯碼級或執(zhí)行級。同時還要根據(jù)最終的跳轉(zhuǎn)情況和HI的更新算法更新HI。BTC檢查的流程圖如圖4。

6 結(jié)論

整個RISC CPU用Verilog HDL語言進行了描述，并針對標準程序進行了仿真，仿真結(jié)果表明，采用上述方法處理轉(zhuǎn)移指令可以明顯提高流水線的吞吐率。由于在轉(zhuǎn)移指令后面插入了延時槽指令，轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行與程序順序執(zhí)行時完全相同；BTC的使用雖然在硬件上增加了一些開銷，但使轉(zhuǎn)移指令再次執(zhí)行時基本不占用流水線資源，大大提高了CPU的效率。