RISC（精簡指令集處理器）處理器完成一個(gè)指令集包含的操作只需要一條指令，而要完成一個(gè)指令集不包含的操作則需要幾條甚至幾十條基本操作指令，大大降低了處理效率^[1]。針對這一問題，本文提出一種在通用RISC微處理器中增加指令擴(kuò)展接口的方法。用戶可以根據(jù)自己的需要，在擴(kuò)展接口掛接自己設(shè)計(jì)的擴(kuò)展模塊，即可簡單、靈活地進(jìn)行指令擴(kuò)展。如何消除數(shù)據(jù)沖突是設(shè)計(jì)指令擴(kuò)展接口的關(guān)鍵技術(shù)。

        在編寫程序時(shí)通過人為調(diào)整指令順序可以消除數(shù)據(jù)沖突，這種方法不需要更改硬件電路，但是容易發(fā)生錯(cuò)誤，而且對于無法通過調(diào)整順序消除的沖突需要插入空指令，降低了執(zhí)行效率。另外一種簡單的方法就是設(shè)置流水線互鎖部件，如果檢測到兩條指令之間存在沖突，則使流水線停頓，直到?jīng)_突消除，這種方法同樣會導(dǎo)致執(zhí)行效率的降低。

        本文將處理器通用指令和擴(kuò)展指令按照運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生時(shí)刻分為兩種類型，通過分析不同類型指令發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的情況，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定向通道來消除數(shù)據(jù)沖突。通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定向通道可以保證程序執(zhí)行的正確性和執(zhí)行效率。

1 指令擴(kuò)展接口結(jié)構(gòu)

        指令擴(kuò)展接口在RISC處理器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，本文選用的 RISC處理器以MIPS指令集為標(biāo)準(zhǔn)，采用哈佛結(jié)構(gòu)程序空間與數(shù)據(jù)空間相互獨(dú)立，設(shè)立5級流水線^[2]。5級流水線包括：

        (1)指令獲取(Instruction Fetch，IF)；

        (2)指令譯碼(Instruction Decode，ID)；

        (3)指令執(zhí)行(Instruction Execute，EX)；

        (4)內(nèi)存讀寫(Memory Access，MEM)；

        (5)寄存器回寫(Write Back，WB)。

        整個(gè)微處理器系統(tǒng)^[3]劃分為兩部分：一部分是數(shù)據(jù)單元，另一部分是控制單元。在每條指令執(zhí)行的過程中，控制單元控制數(shù)據(jù)通路正確無誤地執(zhí)行每條指令，完成數(shù)據(jù)的各種運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)處理器的各項(xiàng)功能。

        設(shè)計(jì)完成的指令擴(kuò)展接口支持兩種類型的擴(kuò)展指令：一種為A型簡單指令，該指令用于實(shí)現(xiàn)簡單的邏輯運(yùn)算；另一種為B型復(fù)雜指令，該指令用于實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的操作。用戶在進(jìn)行指令擴(kuò)展時(shí)，根據(jù)運(yùn)算的復(fù)雜度選擇相應(yīng)的指令類型，可以降低難度，提高效率。

        對于A型指令，由于只是實(shí)現(xiàn)簡單的邏輯運(yùn)算，可以通過擴(kuò)展流水線執(zhí)行級的ALU（邏輯運(yùn)算單元）實(shí)現(xiàn)，是單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)組合邏輯電路。這種擴(kuò)展方法與Nios II的定制指令相似^[4-5]。

        對于B型指令，外圍擴(kuò)展模塊要占用EX和MEM兩個(gè)流水級^[6]，這是因?yàn)椋?1)擴(kuò)展指令不能對處理器數(shù)據(jù)存儲區(qū)進(jìn)行訪問，所以處理器執(zhí)行擴(kuò)展指令時(shí)系統(tǒng)EX和MEM級處于空閑狀態(tài)；(2)如果用戶設(shè)計(jì)的邏輯運(yùn)算單元關(guān)鍵路徑太長，延時(shí)大于時(shí)鐘周期，就需要在運(yùn)算單元中間插入一級寄存器；(3)用戶可能需要自建存儲區(qū)域，需要兩個(gè)時(shí)鐘周期才能完成存取操作?；谝陨?點(diǎn)原因，使擴(kuò)展模塊占用兩個(gè)流水級能夠給外部擴(kuò)展模塊預(yù)留足夠的設(shè)計(jì)空間，更好地滿足設(shè)計(jì)需求。B型指令擴(kuò)展結(jié)構(gòu)在處理器與外部擴(kuò)展模塊之間增加了一個(gè)接口單元。接口單元的作用是隔離系統(tǒng)的控制通路，使擴(kuò)展接口只保留數(shù)據(jù)信號^[7]。

2 數(shù)據(jù)沖突分析

        數(shù)據(jù)沖突是指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。流水線沖突除了數(shù)據(jù)沖突還有結(jié)構(gòu)沖突和控制沖突。由于加入指令擴(kuò)展接口以后，只對處理器的數(shù)據(jù)沖突產(chǎn)生重大影響，所以本文對如何消除結(jié)構(gòu)沖突和控制沖突就不再介紹，只介紹處理器的數(shù)據(jù)沖突以及如何將其消除。

        為了能夠更加清楚地說明增加指令擴(kuò)展接口以后流水線數(shù)據(jù)沖突的情況，本文用數(shù)據(jù)路徑的快照形式反映流水線的執(zhí)行過程。在時(shí)空圖中數(shù)據(jù)路徑的快照示例如圖1所示。

        在圖1中，將處理器的指令（包括通用指令和兩種類型擴(kuò)展指令）按照運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生時(shí)刻分為兩類：(1)在流水線第三級(執(zhí)行級)產(chǎn)生結(jié)果，這種指令包括處理器自身的數(shù)據(jù)操作指令和A型擴(kuò)展指令，用圖1中（a）表示；(2)在流水線第四級（內(nèi)存讀寫級）產(chǎn)生結(jié)果，這種指令包含處理器load指令和B型擴(kuò)展指令，用圖1中（b）表示。在圖2所示的時(shí)空圖中將采用上面兩種數(shù)據(jù)路徑快照表示相應(yīng)指令的執(zhí)行過程。

        將指令分為(a)、(b)兩種類型以后，相鄰兩條指令存在數(shù)據(jù)沖突的情況就可以歸結(jié)為以下四種情況。

        在圖2中，箭頭代表數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)穆窂?，箭頭起點(diǎn)為第一條指令數(shù)據(jù)最早產(chǎn)生的位置，箭頭終點(diǎn)為第二條指令最遲需要數(shù)據(jù)的位置。從圖2可以看出，(1)、(2)兩種情況下數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)刻比數(shù)據(jù)需要的時(shí)刻早，對于這種情況采取措施將前一條指令的運(yùn)算結(jié)果通過專用通道提前送給當(dāng)前指令需要數(shù)據(jù)的位置，流水線可以順序執(zhí)行。而對于（3）、（4）兩種情況，前一條指令結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)刻比后一條指令需要數(shù)據(jù)的時(shí)刻晚，所以無論采取什么措施，都無法得到前一條指令的運(yùn)算結(jié)果，對于這種情況，流水線必須暫停一個(gè)時(shí)鐘周期，等前一條指令運(yùn)算完成以后數(shù)據(jù)通過定向通道送給第二條指令，流水線才能繼續(xù)執(zhí)行。

        上面分析的是簡單數(shù)據(jù)沖突，第二條指令只與前面一條指令發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。還有一種更復(fù)雜的情況是后面一條指令與前面兩條指令都發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。為了能夠更形象地體現(xiàn)這種情況，將圖1中（a）型指令的數(shù)據(jù)路徑快照稍微修改，即為如圖3所示的復(fù)雜情況的數(shù)據(jù)沖突。

        在圖3中，第三條指令中執(zhí)行級的源操作數(shù)a是第一條指令的目的操作數(shù)，源操作數(shù)b是第二條指令的目的操作數(shù)。此時(shí)源操作數(shù)a通過定向通道已經(jīng)準(zhǔn)備好了，而源操作數(shù)b還沒有運(yùn)算完成，所以執(zhí)行第三條指令時(shí)需插入一個(gè)氣泡。流水線停頓一個(gè)時(shí)鐘周期以后，第二條指令的運(yùn)算結(jié)果可以通過定向通道送給第三條指令的執(zhí)行級。但是此時(shí)第一條指令的運(yùn)算結(jié)果已經(jīng)回寫到數(shù)據(jù)寄存器，通過定向通道送過來的數(shù)據(jù)已經(jīng)不是第三條指令所需的數(shù)據(jù)，這樣就導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果出錯(cuò)。

        對于這種情況，需要對第一條指令定向過來的數(shù)據(jù)寄存一級，流水線停頓一個(gè)時(shí)鐘周期以后源操作數(shù)a使用寄存以后的數(shù)據(jù)，源操作數(shù)b使用定向通道送來的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)定向通道設(shè)計(jì)

        數(shù)據(jù)定向通道就是將EX級和MEM級操作完成以后的數(shù)據(jù)和目的寄存器的地址直接送到EX級輸入端。回送目的寄存器地址用于檢測數(shù)據(jù)沖突，沖突檢測部件的工作過程：(1)比較當(dāng)前指令源操作數(shù)寄存器的地址與回送的目的寄存器地址是否相同；(2)檢測前面指令運(yùn)算結(jié)果是否有效；(3)檢測當(dāng)前指令源地址是否有效；(4)條件全部滿足以后，發(fā)出流水線沖突信號。

        控制單元檢測沖突類型，如果流水線不需要停頓，則控制EX級內(nèi)部的數(shù)據(jù)選擇器選擇定向通道的數(shù)據(jù)；如果需要停頓，則控制流水線停頓。

        對于B型擴(kuò)展指令，如果在接口單元內(nèi)部再設(shè)計(jì)一套沖突檢測部件和數(shù)據(jù)定向通道，則會造成資源浪費(fèi)。在執(zhí)行B型擴(kuò)展指令時(shí)，處理器EX級和MEM級處于空閑狀態(tài)，因此可以利用EX級中的部分資源。最后設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定向通道后處理器的局部數(shù)據(jù)路徑如圖4所示。

        在圖4中只顯示與數(shù)據(jù)流動(dòng)有關(guān)的部件。圖中接口單元和EX級使用相同的數(shù)據(jù)定向通道^[8]，數(shù)據(jù)沖突檢測部件也使用同一個(gè)。接口單元在執(zhí)行B型擴(kuò)展指令且沒有發(fā)生數(shù)據(jù)沖突時(shí)，接口單元控制信號才有效，接口單元通過指令擴(kuò)展接口向外傳遞有效數(shù)據(jù)，而且只有在控制信號有效時(shí)，接口單元接收到的數(shù)據(jù)才送到回寫單元，否則將接收到的數(shù)據(jù)丟棄。雖然控制單元不能直接控制外部擴(kuò)展模塊，但是通過控制接口單元導(dǎo)通、關(guān)斷數(shù)據(jù)的方式，可使外部擴(kuò)展模塊準(zhǔn)確地工作在流水線中。圖4中右上角“Reg”寄存器的作用是對MEM級定向的數(shù)據(jù)寄存一級，用于解決3條指令存在數(shù)據(jù)沖突的問題。

4 功能測試 

        最后在RISC微處理器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成指令擴(kuò)展接口，預(yù)留的A型和B型擴(kuò)展指令各有200條，對增加了指令擴(kuò)展接口的處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)沖突測試。擴(kuò)展一條A型指令，指令格式：AR3 Rd，Rt；指令功能：將Rt寄存器的值按位取反，結(jié)果賦給Rd寄存器。擴(kuò)展一條B型指令，指令格式：BR1 Rd，Rs，Rt；指令功能：Rs寄存器的值和Rt寄存器的值按位同或，結(jié)果賦給Rd寄存器。編寫一段針對性強(qiáng)的程序，用于測試增加指令擴(kuò)展接口以后處理器處理數(shù)據(jù)沖突的能力。測試程序如圖5所示，圖6為測試結(jié)果。

        圖5中的4條測試程序包含了可能的數(shù)據(jù)沖突的情況。圖6為使用EDA(Electronic Design Automation)軟件仿真得到的波形圖。從圖中可以看出，除了第三條指令，其他指令數(shù)據(jù)沖突都通過數(shù)據(jù)定向解決，流水線沒有停頓；第三條指令和前兩條指令產(chǎn)生沖突，流水線停頓一個(gè)時(shí)鐘周期以后得到正確的運(yùn)算結(jié)果。

        如果使用指令調(diào)度解決數(shù)據(jù)沖突，同樣是執(zhí)行圖5中的程序，則需要編譯軟件或者人為地在存在數(shù)據(jù)沖突的指令之間插入空指令，最后處理器實(shí)際執(zhí)行的指令如下：

        AR3 R4，R1；

        NOP；NOP；NOP；

        BR1 R5，R2，R4；

        NOP；NOP；NOP；

        ADDU R6，R5，R4；

        NOP；NOP；NOP；

        OR R7，R6，R1；

        使用流水線停頓解決數(shù)據(jù)沖突，處理器最后執(zhí)行效果與上面結(jié)果相同，只是使用指令調(diào)度處理器通過執(zhí)行空指令等待前面程序運(yùn)行完成，而流水線停頓是通過內(nèi)部設(shè)置的流水線互鎖部件使流水線停頓等待前面程序運(yùn)行完成。上面兩種方法使用軟件仿真得到測試結(jié)果如圖7所示。

        從圖6、圖7中可以看出，執(zhí)行相同的程序，圖6使用的時(shí)鐘數(shù)明顯比圖7中使用的時(shí)鐘數(shù)多。為了能夠更直觀地對比處理器的執(zhí)行效率，引入每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI(Cycles Per Instruction)。通過簡單計(jì)算可知，執(zhí)行上面的測試程序時(shí)本文方法的CPI=5/4=1.25，而使用軟件調(diào)度或者流水線停頓方法的CPI=13/4=3.25?？梢姡褂脭?shù)據(jù)定向通道可以提高處理器的執(zhí)行效率。

        在進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)時(shí)，使用具有指令擴(kuò)展接口的處理器，只需要設(shè)計(jì)擴(kuò)展模塊就可以完成指令擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作，而且不會對處理器自身產(chǎn)生任何影響，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，增加了系統(tǒng)的運(yùn)算能力。如果本文的設(shè)計(jì)方法能夠廣泛應(yīng)用到微處理器的設(shè)計(jì)中，則具有指令擴(kuò)展接口的RISC 微處理器將會極大地促進(jìn)SoC設(shè)計(jì)的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏軍.32位RISC微處理器設(shè)計(jì)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[2] 張晨曦，王志英.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] 鄭緯民.計(jì)算機(jī)組成和設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4] 李蘭英.Nios II嵌入式軟核SoPC設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 屈文新，樊曉椏.一種高代碼密度RISC結(jié)構(gòu)微控器的設(shè)計(jì)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2006，27（7）：1242-1244.

[6] 劉元鋒.RISC架構(gòu)微處理器擴(kuò)展對稱密碼處理指令的研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2006.

[7] 張琰，戴紫彬.RISC結(jié)構(gòu)微處理器專用存儲單元的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34(7)：140-146.

[8] 李秀娟，王祖強(qiáng)，張?zhí)?一種8位嵌入式RISC MCU IP核數(shù)據(jù)通道模型設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32(4)：105-106.