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(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理方法，為5級(jí)流水線作業(yè)，分別是取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、回寫，對(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理在取指級(jí)和譯碼級(jí)完成；譯碼級(jí)給出轉(zhuǎn)移指令所包含的詳細(xì)信息，取指級(jí)包含有地址計(jì)算單元，轉(zhuǎn)移目標(biāo)Cache (BTC)，跳轉(zhuǎn)判斷單元等。對(duì)轉(zhuǎn)移指令的處理使用了延時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)移，每條轉(zhuǎn)移指令后面跟隨一條延時(shí)槽指令;采用2BC預(yù)測條件轉(zhuǎn)移是否跳轉(zhuǎn)，而BTC則保存轉(zhuǎn)移目標(biāo)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(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)移指令的設(shè)計(jì)以及延時(shí)轉(zhuǎn)移、BTC、2BC的具體實(shí)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(duì)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(hào)數(shù)，在低位用00擴(kuò)展后可以對(duì)±220的相對(duì)地址尋址。RET指令包含8位的操作碼和兩個(gè)5位的寄存器地址。

3 2BC的作用及工作原理

因?yàn)檗D(zhuǎn)移指令執(zhí)行一次之后，轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址、延時(shí)槽指令都保存在BTC中了，當(dāng)該指令再次執(zhí)行時(shí)，這些信息就直接從Cache讀出，因此在取指級(jí)就可以得到跳轉(zhuǎn)目標(biāo)地址和延時(shí)槽指令。對(duì)于非條件轉(zhuǎn)移指令，跳轉(zhuǎn)總是執(zhí)行，因此BTC命中時(shí)就可以直接決定下一條指令的地址為轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址，而當(dāng)前周期DI被送到指令總線上；但對(duì)于條件轉(zhuǎn)移指令，跳轉(zhuǎn)與否是根據(jù)條件碼和ALU的標(biāo)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(biāo)志位，而當(dāng)BTC命中時(shí)該指令還在譯碼級(jí)，則跳轉(zhuǎn)與否需要等待一個(gè)時(shí)鐘周期才能決定。為了避免因?yàn)榈却斐闪魉€的停頓，采用2BC當(dāng)前的狀態(tài)預(yù)測跳轉(zhuǎn)是否執(zhí)行，在接下來的時(shí)鐘周期，標(biāo)志位有效之后，再檢查預(yù)測是否正確，如果不正確，就進(jìn)行更正。當(dāng)預(yù)測準(zhǔn)確時(shí)，采用2BC 與BTC可以使轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行時(shí)間縮短一個(gè)周期。即使預(yù)測不準(zhǔn)確，與不采用預(yù)測相比也不會(huì)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(dāng)HI為N或Nx時(shí)，預(yù)測跳轉(zhuǎn)不發(fā)生；當(dāng)HI為T或Tx時(shí)，預(yù)測跳轉(zhuǎn)發(fā)生。

4 BTC命中

在取指周期開始時(shí)如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前取指地址包含在BTC的TAG中，并且對(duì)應(yīng)行的VI也有效，則認(rèn)為BTC命中，從而啟動(dòng)命中任務(wù)：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(biāo)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(dāng)標(biāo)志位有效時(shí)，根據(jù)條件碼與標(biāo)志位判斷，否則根據(jù)HI進(jìn)行預(yù)測，然后確定下一條指令的地址：跳轉(zhuǎn)時(shí)為轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址，不跳轉(zhuǎn)為PC+2。對(duì)于帶A參數(shù)的BCC指令，在跳轉(zhuǎn)不執(zhí)行時(shí)，要禁止DI在下一時(shí)鐘進(jìn)入譯碼級(jí)。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(dāng)前周期開始時(shí)啟動(dòng)BTC檢查任務(wù)；如果前一周期BTC是根據(jù)HI預(yù)測BCC的跳轉(zhuǎn)，那么在當(dāng)前時(shí)鐘標(biāo)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(jìn)行更正，給出正確的取指地址，請(qǐng)求在下一時(shí)鐘禁止譯碼級(jí)或執(zhí)行級(jí)。同時(shí)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(gè)RISC CPU用Verilog HDL語言進(jìn)行了描述，并針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)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(shí)槽指令，轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行與程序順序執(zhí)行時(shí)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(shí)基本不占用流水線資源，大大提高了CPU的效率。