一種帶Cache的嵌入式CPU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 基于FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了嵌入式RISC CPU的設(shè)計(jì)。根據(jù)項(xiàng)目要求，實(shí)現(xiàn)指令集為MIPS CPU指令集的一個(gè)子集，分析指令處理過(guò)程，構(gòu)建了嵌入式CPU的5級(jí)數(shù)據(jù)通路。分析了流水線產(chǎn)生的相關(guān)性問題，采用數(shù)據(jù)前推技術(shù)和軟件編譯結(jié)合的解決方案。給出了控制單元、運(yùn)算單元、指令Cache的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)。在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了CPU的設(shè)計(jì)。

隨著集成電路設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在PDA、機(jī)頂盒、手機(jī)等信息終端中被廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)具有電路尺寸小、成本低廉、可靠性高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)集成電路發(fā)展的方向。而作為嵌入式系統(tǒng)核心的微處理器，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。為了提高CPU的效率和指令執(zhí)行的并行性，現(xiàn)代微處理器廣泛采用流水線設(shè)計(jì)，所以，CPU流水線的設(shè)計(jì)成為決定其性能的關(guān)鍵。

MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline STages)是一種典型的RISC(Reduced InstructiON Set Computer)微處理器,在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。MIPS32TM指令集開放，指令格式規(guī)整，易于流水線設(shè)計(jì)，大量使用寄存器操作。與CISC(Complex Instruction Set Computer)微處理器相比，RISC具有設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)周期更短等優(yōu)點(diǎn)，并可以應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)更快的下一代處理器。

1 基于MIPS指令集的CPU流水線結(jié)構(gòu)

1.1 指令集的選取

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了指令兼容MIPS系列RISC處理器的指令集。由于MIPS32TM指令集是開放的指令集，指令格式非常簡(jiǎn)單，按照指令格式可分為寄存器類型（R-type）指令、立即數(shù)類型（I-type）指令和跳轉(zhuǎn)類型（J-type）指令。這三類指令均為32 bit，而且指令操作碼在固定的位置上。這種特點(diǎn)易于指令代碼的拆分，易于流水線CPU的設(shè)計(jì)。

指令類型參考MIPS處理器的指令集設(shè)計(jì)原則。所有指令的運(yùn)算都在寄存器中進(jìn)行，當(dāng)需要與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)時(shí),通過(guò)內(nèi)存訪問指令進(jìn)行內(nèi)存和寄存器的數(shù)據(jù)交換。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)程序中經(jīng)常使用的34條指令,實(shí)現(xiàn)指令集按照功能分成5種類型：算術(shù)運(yùn)算類指令、邏輯運(yùn)算類指令、數(shù)據(jù)傳送指令、條件轉(zhuǎn)移和無(wú)條件跳轉(zhuǎn)類指令、特殊指令等。

1.2 流水線的設(shè)計(jì)

在基本的MIPS處理器中有5個(gè)流水級(jí)，其中各流水級(jí)定義與主要功能為：IF為計(jì)算下一條指令的地址PC，并從指令存儲(chǔ)器讀取指令;ID為對(duì)指令進(jìn)行譯碼，從寄存器堆中取出源操作數(shù);EX為當(dāng)指令是運(yùn)算類指令時(shí)執(zhí)行運(yùn)算，當(dāng)指令是轉(zhuǎn)移類指令時(shí)進(jìn)行有效地址計(jì)算;MEM為從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀寫數(shù)據(jù);WB為將數(shù)據(jù)寫回到寄存器堆。按照這一流水線結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種較為通用的MIPS CPU，通過(guò)VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，各模塊之的關(guān)系如圖1所示。

2 嵌入式CPU流水線中的相關(guān)性

由于指令以流水線形式并行處理,必產(chǎn)生指令相關(guān)性問題,一般存在三種相關(guān):結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)，引起流水線競(jìng)爭(zhēng)。

結(jié)構(gòu)相關(guān)問題是指由于硬件資源不足而導(dǎo)致流水線不暢通，例如只有一個(gè)存儲(chǔ)器模塊時(shí)，就不能對(duì)存儲(chǔ)器同時(shí)取指令和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)相關(guān)問題是指一條指令的后續(xù)指令要使用該條指令的結(jié)果。而控制相關(guān)問題是指轉(zhuǎn)移指令從取指到轉(zhuǎn)向目標(biāo)地址要花幾個(gè)時(shí)鐘周期，但流水線CPU在每個(gè)周期都取指令。

解決結(jié)構(gòu)相關(guān)問題的方法是盡量增加硬件電路資源，本設(shè)計(jì)采用哈佛架構(gòu)，使用指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器避免結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于寄存器組存在的結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，采用由D-FF構(gòu)建寄存器予以避免，當(dāng)寫入地址和讀出地址相同時(shí)，直接用寫入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)讀出總線。數(shù)據(jù)相關(guān)問題可以用數(shù)據(jù)前推技術(shù)得到緩解。數(shù)據(jù)前推技術(shù)對(duì)于ALU計(jì)算指令非常有效，但對(duì)于存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)指令，如果下面的指令想立即使用其結(jié)果，則必須暫停流水線一個(gè)周期。至于控制相關(guān)，可以使用指令重組優(yōu)化及延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)等軟件編譯方法解決。

3 關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1 ALU的實(shí)現(xiàn)

ALU是數(shù)據(jù)通路中的重要部件，負(fù)責(zé)完成各種運(yùn)算功能。根據(jù)CPU要實(shí)現(xiàn)的指令集，確定出ALU的操作控制信號(hào)數(shù)據(jù)寬度為5 bit，運(yùn)算的數(shù)據(jù)位數(shù)為32 bit。操作控制信號(hào)(ALU_OP)和ALU的源數(shù)據(jù)選擇信號(hào)根據(jù)不同指令的譯碼由控制邏輯產(chǎn)生。

3.2 控制單元的設(shè)計(jì)

控制單元要根據(jù)輸入的指令碼產(chǎn)生一系列的控制信號(hào)，用于控制數(shù)據(jù)通路上的多路選擇器和各功能部件，保證每一條指令都能夠正確執(zhí)行。

控制單元的輸入信號(hào)必須設(shè)計(jì)為32 bit的指令碼，而輸出信號(hào)則要根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在IF階段，控制單元需要根據(jù)指令的譯碼情況，決定PC的更新值，如果是順序執(zhí)行的指令，則PC自動(dòng)加4，對(duì)于分支和跳轉(zhuǎn)指令，需要發(fā)出跳轉(zhuǎn)指令信號(hào)和分支指令信號(hào)，從而決定PC的更新值。

在ID階段，控制單元對(duì)指令進(jìn)行譯碼，根據(jù)指令的操作碼和功能部分，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)；根據(jù)指令中的操作數(shù)字段，控制單元給出寄存器號(hào)，從寄存器堆中讀出操作數(shù)送入ID與EXE之間的流水線寄存器。如果發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，數(shù)據(jù)前置邏輯產(chǎn)生前置控制信號(hào)。

在EXE階段，控制單元給出ALU數(shù)據(jù)來(lái)源的選擇信號(hào)，以及ALU的運(yùn)算選擇信號(hào)，

在MEM階段，控制單元需要給出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫信號(hào)，片選信號(hào)等。存儲(chǔ)器需要向控制單元返回響應(yīng)信號(hào)。

在WB階段，控制單元主要控制數(shù)據(jù)的流向，給出多路選擇器的選擇信號(hào)，選擇將存儲(chǔ)器讀出的數(shù)據(jù)或ALU的運(yùn)算結(jié)果寫回寄存器組。

3.3 數(shù)據(jù)前推技術(shù)的設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的檢測(cè)，通過(guò)比較連續(xù)3條指令的寄存器標(biāo)號(hào)，把本條指令的rs和rt及前面2條指令的操作數(shù)結(jié)果寄存器分別進(jìn)行比較，比較器的輸出信號(hào)傳遞到EXE階段用于選擇ALU操作數(shù)的來(lái)源。

而對(duì)于LOAD指令發(fā)生的數(shù)據(jù)相關(guān)，必須等到MEM階段完成之后才能得到有效的數(shù)據(jù)，因此發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)的下一條指令，只能通過(guò)延遲一個(gè)周期才能利用數(shù)據(jù)前置技術(shù)，如果配合MIPS編譯器，通過(guò)使用延遲槽技術(shù)可以解決LOAD類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。

3.4 指令cache的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)容量為2 KB指令Cache，每個(gè)Cache行為16 B數(shù)據(jù)，這樣可以利用存儲(chǔ)器的16 B的突發(fā)式傳送。采用2路組相聯(lián)方式，支持通寫(Write Through)模式。由同步SRAM實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)Cache由控制模塊、命中與缺失比較模塊、訪問內(nèi)存模塊、替換模塊、輸出模塊組成。其中控制模塊是整個(gè)Cache的主控部件，它控制存儲(chǔ)器和cache協(xié)調(diào)工作:當(dāng)執(zhí)行單元有取指請(qǐng)求時(shí)，以指令的物理地址作為索引看是否命中，如果不命中則控制邏輯啟動(dòng)訪存邏輯到內(nèi)存中去取指，當(dāng)指令取回時(shí)控制邏輯啟動(dòng)替換邏輯對(duì)指令Cache進(jìn)行替換并將指令輸出;如果命中，則將指令輸出。

使用VHDL來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上述各關(guān)鍵模塊。綜合后的接口信號(hào)圖如圖2所示。

對(duì)關(guān)鍵模塊和其他模塊進(jìn)行融合，最后得到的CPU流水線結(jié)構(gòu)圖如3所示。

4 系統(tǒng)的仿真與驗(yàn)證

使用VHDL實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能模塊的設(shè)計(jì)，并完成功能仿真后，將設(shè)計(jì)的控制單元和數(shù)據(jù)通路的各模塊進(jìn)行合并，形成一個(gè)完整的嵌入式RISC CPU核，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真。基于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的指令集編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試程序。

　　add $5.$0,$0

　　addi $7,$0,1

　　sw $7,10($5)

　　lw $8,10($5)

將指令碼寫入指令存儲(chǔ)器的仿真文件，測(cè)試程序運(yùn)行得到的仿真波形圖如圖4所示。

每個(gè)時(shí)鐘周期為10 ns，第一個(gè)時(shí)鐘周期T1從10 ns處開始，根據(jù)仿真波形可以看出，在T5周期，指令sw $7,10($5)處于EXE階段，第二條指令addi $7,$0,1處于MEM階段，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)前推，F(xiàn)orward_2的值為”10”,通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析可以看出，數(shù)據(jù)前推成功。通過(guò)分析仿真波形圖中各個(gè)輸出信號(hào)的波形，根據(jù)程序的運(yùn)行過(guò)程，可以判斷信號(hào)波形正確，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本文給出了流水線CPU的關(guān)鍵模塊的VHDL實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)邏輯綜合和仿真，仿真結(jié)果表明在時(shí)序上設(shè)計(jì)的嵌入式CPU很好地滿足了流水線的要求。生成位流數(shù)據(jù)文件對(duì)FPGA進(jìn)行器件編程，F(xiàn)PGA芯片可以在50 MHz的時(shí)鐘頻率下穩(wěn)定的運(yùn)行。