基于FPGA實(shí)現(xiàn)VLIW微處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　超長(zhǎng)指令字VLIW(Very Long Instruction Word)微處理器架構(gòu)采用了先進(jìn)的清晰并行指令設(shè)計(jì)[1]。VLIW微處理器的最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了處理器的結(jié)構(gòu)，刪除了處理器內(nèi)部許多復(fù)雜的控制電路[2]，它能從應(yīng)用程序中提取高度并行的指令數(shù)據(jù)，并把這些機(jī)器指令均勻地分配給芯片中的眾多執(zhí)行單元[3]。本設(shè)計(jì)是針對(duì)VLIW微處理器的基本功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，是針對(duì)64位指令字和192位數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理，主要功能是將指令和數(shù)據(jù)分別劃分到3個(gè)并行操作單元中，在執(zhí)行單元中根據(jù)3個(gè)并行指令控制，對(duì)3個(gè)并行操作單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，同時(shí)對(duì)操作處理數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理管理。由于篇幅所限，只是將取指令單元、譯碼單元、執(zhí)行單元、寫回單元和寄存器堆這5個(gè)單元的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)原理作簡(jiǎn)要介紹，沒有給出各個(gè)模塊設(shè)計(jì)仿真波形圖。

　　1 VLIW微處理器

　　1.1 VLIW微處理的基本結(jié)構(gòu)

　　VLIW微處理器的基本架構(gòu)如圖1所示，采用4級(jí)流水線的形式進(jìn)行架構(gòu)組織，分別是取指令(IF)、譯碼(DE)、執(zhí)行(EXE)、寫回(WR)[4]。VLIW微處理器從外部?jī)?chǔ)存器中，取出指令和數(shù)據(jù)，指令通過譯碼操作，要求處理器進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作，處理寄存器中的數(shù)據(jù)或者是取指令單元傳輸來的數(shù)據(jù)，并通過寫回單元，將處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到寄存器中。取指令單元是從存儲(chǔ)器中取出相對(duì)應(yīng)的指令和數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的信息傳輸給譯碼單元和寄存器堆單元；譯碼單元的作用是將取指令單元的指令信息翻譯為執(zhí)行單元能夠識(shí)別的操作，將相應(yīng)的信息傳輸?shù)綀?zhí)行單元中；執(zhí)行單元是執(zhí)行對(duì)應(yīng)的指令信息和處理相關(guān)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也對(duì)寄存器堆送來的數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行相應(yīng)的操作；寫回單元是將執(zhí)行單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到寄存器堆中；寄存器堆是暫時(shí)存放取指令單元和寫回單元的數(shù)據(jù)或是指令。

　　1.2 VLIW微處理器操作方式

　　VLIW處理器指令操作方式是實(shí)行3種并行的操作，指令格式設(shè)置為：最高4位作為保留位，其余各20位依次劃給操作1、操作2、操作3，在每個(gè)20位中又分別留有4位的保留位，最后對(duì)16位的指令進(jìn)行劃分為操作碼、源1地址、源2地址、目標(biāo)地址。3種操作方式是并行執(zhí)行，相互獨(dú)立，互不干擾，并且操作執(zhí)行都是64位的數(shù)據(jù)；每一種操作方式都可以實(shí)現(xiàn)16種操作運(yùn)算：空操作、加、減、乘、裝載、移動(dòng)、讀、比較、或、與非、或非、取反、左移、右移、循環(huán)左移、循環(huán)右移等操作。任何一種操作都可以對(duì)16個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理，且寄存器中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是64位。整個(gè)操作過程是將源1與源2寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行某種操作運(yùn)算，將其操作處理結(jié)果存入目標(biāo)寄存器中，其操作處理方式是采用寄存器尋址方式。

　　2 VLIW微處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)VLIW微處理器系統(tǒng)架構(gòu)和基本原理，將整個(gè)VLIW微處理劃分為5個(gè)主要部分[5]，并對(duì)如圖2所示的5個(gè)部分進(jìn)行功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。具體原理：取指令模塊把外部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)和指令傳送給譯碼模塊，并將部分指令信息傳送給寄存器堆，實(shí)現(xiàn)取指令的功能；譯碼模塊將取指模塊的數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的譯碼，實(shí)現(xiàn)某一種具體的操作，并將譯碼結(jié)果傳送到執(zhí)行模塊中；執(zhí)行模塊將譯碼模塊或者寄存器堆模塊的數(shù)據(jù)和指令實(shí)現(xiàn)其操作的具體功能，并將操作結(jié)果傳送到寫回模塊中；寫回模塊將執(zhí)行模塊的信息寫入寄存器中，并輸出相關(guān)操作處理的數(shù)據(jù)。