32位高性能嵌入式CPU中Load Aligner 模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

引言

一般的，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l(wèi)oad 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)。

設(shè)計目標

本設(shè)計中，load aligner模塊要實現(xiàn)的指令有l(wèi)b、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，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bit<7:0>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mask<3:0>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。

以上是load aligner模塊數(shù)據(jù)通道部分的設(shè)計。它還需要有控制模塊來產(chǎn)生上述控制信號，此外由于任何一個控制信號都要驅(qū)動數(shù)據(jù)通道子模塊中的32個cell，所以還要有一個驅(qū)動模塊來使控制信號有足夠的驅(qū)動能力。由以上分析，整個load aligner模塊的框圖如圖2所示。其中，控制模塊采用自動布局布線生成，而驅(qū)動模塊和數(shù)據(jù)通道模塊均采用全定制設(shè)計。

功能驗證

對此模塊的rtl代碼和所設(shè)計的電路分別進行了功能驗證。設(shè)從dcache取出的32位數(shù)據(jù)用十六進制表示為aabbccdd，對表3中的所有指令進行測試。圖3所示的波形圖就是依次測試指令lw、lh00、lhu00、lh10、lhu10、lb00、lbu00、lb01、lbu01、lb10等的結(jié)果?？梢钥闯觯Y(jié)果與表3完全吻合。說明所設(shè)計的電路滿足設(shè)計目標，可以實現(xiàn)所要求的所有指令。

電路仿真

根據(jù)圖1可以看出，從符號選擇信號sandz<4:0>到輸出的路徑為最長路徑，我們選取這條路徑進行仿真，并考慮在0.18μm時線電阻電容對時延的影響，用hspice確定了所需器件的尺寸。仿真結(jié)果如圖4所示。上升時時延為0.52ns，下降時時延為0.47ns，均滿足小于0.7ns 的要求。

結(jié)論

在cpu中，load aligner模塊是dcache和數(shù)據(jù)通道之間的接口。從dcache中取出的數(shù)據(jù)只有通過load aligner模塊重新排序，才能進入cpu的數(shù)據(jù)通道。在設(shè)計中應(yīng)用了自上而下的設(shè)計方法，所設(shè)計的電路實現(xiàn)了所有的指令，在時延上也達到了設(shè)計目標。