基于32位CPU中Load Aligner模塊數(shù)據(jù)通道的設(shè)計與實現(xiàn)
在CPU中,訪問寄存器比訪問主存速度要快。所以為了減少訪問存儲器而花的時間或延遲,MIPS4KC處理器采用了Load/Store設(shè)計。在CPU芯片上有許多寄存器,所有的操作都由存儲在寄存器里的操作數(shù)來完成,而主存只有通過Load和Store指令來訪問。這樣做不僅可以減少訪問主存的次數(shù),有利于降低對主存儲器容量的要求,而且可以精簡指令集,有利于編譯人員優(yōu)化寄存器分配。Load Aligner就是數(shù)據(jù)存儲器(DCACHE)和數(shù)據(jù)通道之間的接口。所以設(shè)計出性能優(yōu)良的Load Aligner對提高CPU的整體性能是非常重要的。本文介紹了在一款32位CPU中Load Aligner模塊的設(shè)計與實現(xiàn),其中主要是數(shù)據(jù)通道部分的設(shè)計和實現(xiàn)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/149270.htm設(shè)計目標(biāo)
本設(shè)計中,Load Aligner模塊要實現(xiàn)的指令有LB、LBU、LH、LHU、LW、LWL、LWR。CPU通過這些指令把從數(shù)據(jù)存儲器中取出來的數(shù)據(jù)重新排序,然后放進寄存器堆RF中,進入CPU的數(shù)據(jù)通道。表1是對這些指令的介紹。
如果把從DCACHE中取出的一個32位的字表示成4字節(jié):A、B、C、D,如表2所示。
31-24/ 23-16/ 15-18/ 7-0
A / B / C / D
那么經(jīng)過上述指令操作后,這個字被重新排列的結(jié)果(即Load Aligner模塊的輸出,也用4字節(jié)來表示)見表3。
表3中,s表示符號擴展,*表示這個字節(jié)上的寄存器中的數(shù)保持不變。不過在Load Aligner模塊,先將這些字節(jié)置0,在寄存器堆模塊再控制這些字節(jié)是否直接寫進寄存器。
以上是Load Aligner模塊要實現(xiàn)的指令目標(biāo),另外由于此模塊是CPU關(guān)鍵路徑的一部分,因此數(shù)據(jù)通道部分最長時延不能超過0.7ns。
邏輯設(shè)計
分析比較經(jīng)過上述指令后Load Aligner模塊的輸入輸出變化可以看出:輸入字的每一字節(jié)經(jīng)過Load Aligner模塊后可以在輸出字的任意字節(jié)位置上。換言之,輸出字的每一字節(jié)都可以有A、B、C、D四種情況。所以需要一個8位的控制信號Bit7:0>來控制四個四選一的數(shù)據(jù)選擇器,稱為字節(jié)組合模塊,來獲得所需要的字節(jié)組合。不過,經(jīng)過這個字節(jié)組合模塊選出來的4字節(jié)并不全是所需要的,還需要去掉冗余的字節(jié)或者進行符號擴展。因此需要有能夠產(chǎn)生符號擴展或者0擴展的模塊稱為符號產(chǎn)生模塊,然后把它的輸出和一個4位的控制信號Mask3:0>一起控制一組二選一數(shù)據(jù)選擇器,稱為輸出模塊,來獲得最后的排序結(jié)果。邏輯實現(xiàn)流程圖見圖1。
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