32位嵌入式CPU中系統(tǒng)控制協(xié)處理器的設(shè)計(jì)

摘  要：系統(tǒng)控制協(xié)處理器是MIPS體系結(jié)構(gòu)CPU中必需的一個(gè)單元模塊。它最主要的功能就是利用一系列特權(quán)寄存器記錄當(dāng)前CPU所處的狀態(tài)，負(fù)責(zé)異常/中斷處理，提供指令正常執(zhí)行所需的環(huán)境。本文論述了一個(gè)實(shí)現(xiàn)MIPS 4Kc指令集CPU中系統(tǒng)控制協(xié)處理器的設(shè)計(jì)，包括對(duì)特權(quán)寄存器寫操作的實(shí)現(xiàn)，精確異常處理機(jī)制和全定制后端物理設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)控制協(xié)處理器；精確異常處理；流水線；全定制

    MIPS體系結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)控制協(xié)處理器簡稱CP0，它提供指令正常執(zhí)行所需的環(huán)境，進(jìn)行異常/中斷處理、高速緩存填充、虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換、操作模式轉(zhuǎn)換等操作。單從硬件的角度而言，系統(tǒng)控制協(xié)處理器對(duì)指令集的作用就相當(dāng)于操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序的作用一樣。

異常處理
    CPU運(yùn)行過程中常常需要中斷正常執(zhí)行的指令流程，跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行某段特殊的指令段，接著再恢復(fù)原來的指令序列。MIPS體系結(jié)構(gòu)中稱這樣的過程為異常(Exception)。所有的異常都采用統(tǒng)一的機(jī)制處理。

對(duì)于異常情況，需要采取以下3方面的措施：

1) 異常檢測(cè)：CPU需要及時(shí)檢測(cè)出哪個(gè)部件發(fā)生了什么異常；一般而言，異常檢測(cè)由各個(gè)模塊進(jìn)行，如加法溢出由加法器在運(yùn)算過程中產(chǎn)生，并在相應(yīng)的流水段被系統(tǒng)控制協(xié)處理器CP0讀入。因此這部分功能不屬于CP0的設(shè)計(jì)范圍。

2) 異常處理：CPU按照優(yōu)先級(jí)選擇哪個(gè)異常被處理，并進(jìn)行必要的上下文切換(Context Switch)，為進(jìn)入異常服務(wù)子程序做準(zhǔn)備，保證與該種異常對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序被執(zhí)行，并且能夠從中斷處完全恢復(fù)原來的指令執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)。

3) 異常服務(wù)：執(zhí)行異常服務(wù)子程序，這部分主要由軟件(操作系統(tǒng))來完成。

對(duì)異常處理機(jī)制的要求
    與傳統(tǒng)的異常/中斷處理機(jī)制相比，在MIPS 4Kc體系結(jié)構(gòu)下的異常處理需要特別考慮3個(gè)因素。

流水線的劃分
    本設(shè)計(jì)采用五段流水線設(shè)計(jì)，即每條指令的執(zhí)行一般都經(jīng)過IF(取指)、DE(指令譯碼)、EX(指令執(zhí)行)、MEM(訪問存儲(chǔ)器)和WB(數(shù)據(jù)寫回R.F.)五個(gè)步驟。因?yàn)橹噶顒?dòng)作被分割，所以異常源也被分割到各個(gè)流水線段。例如：加法溢出異常只能在EX被檢測(cè)到。

精確異常處理機(jī)制
    精確異常處理是指在發(fā)生異常時(shí)，僅僅對(duì)發(fā)生異常的指令或其后面的指令進(jìn)行異常處理；而其前面的指令要保證能夠正常結(jié)束。所謂“精確”，是指受到異常處理影響的只有產(chǎn)生異常條件的那條指令，所有在此之前的指令在異常被處理前都將被執(zhí)行完成。異常處理結(jié)束后仍將從發(fā)生異常的指令開始繼續(xù)執(zhí)行。

操作模式切換
    對(duì)于多進(jìn)程操作系統(tǒng)，至少要區(qū)分兩種進(jìn)程：有特權(quán)的操作系統(tǒng)“核心”進(jìn)程和一般程序的“用戶”進(jìn)程。當(dāng)CPU檢測(cè)到異常發(fā)生時(shí)，指令執(zhí)行的正常順序會(huì)被暫停，處理器進(jìn)入核心模式。當(dāng)異常服務(wù)子程序執(zhí)行完后，CPU從斷點(diǎn)中恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)執(zhí)行原指令序列。

異常處理流水線
    根據(jù)上述分析可以確定，硬件異常處理流水線的主要任務(wù)有3個(gè)：更新相應(yīng)的CP0寄存器，即寫CP0寄存器；保存發(fā)生異常的指令地址，或當(dāng)異常指令在延遲槽時(shí)，保存引起延遲槽的跳轉(zhuǎn)指令地址；選擇異常服務(wù)子程序的入口地址。

    CP0寄存器記錄了CPU當(dāng)前的狀態(tài)，因此，對(duì)CP0寄存器的寫就是對(duì)CPU狀態(tài)的改變，需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。而且對(duì)寄存器的寫是影響關(guān)鍵路徑的主要因素。因此本文主要論述對(duì)CP0寄存器寫操作的設(shè)計(jì)。

    每個(gè)寄存器或寄存器某些位的寫操作都是由一個(gè)或一組異常事件是否發(fā)生而決定的。為此每一個(gè)流水段產(chǎn)生并被接收的異常都將被編碼，稱為異常編碼，并在段與段之間進(jìn)行傳遞，直到MEM段。在MEM段，異常編碼被用于產(chǎn)生對(duì)CP0寄存器的寫使能信號(hào)，需要進(jìn)行復(fù)雜的解碼使MEM段變長，這成為提高整個(gè)CPU速度的瓶頸。為了減少這個(gè)瓶頸，可增加專門用于產(chǎn)生寫使能信號(hào)的邏輯。每一級(jí)流水線產(chǎn)生的異常直接產(chǎn)生寫使能，并經(jīng)過簡單的優(yōu)先級(jí)比較，不管它是由哪個(gè)異常類型產(chǎn)生的,均產(chǎn)生1位的寫使能信號(hào)。那么，在MEM段就可以避免復(fù)雜的解碼，直接產(chǎn)生對(duì)相關(guān)CP0寄存器的寫使能信號(hào)。這一方案采用了以空間換時(shí)間的方法：縱向的執(zhí)行時(shí)間減少了，而橫向則需要增加寫使能判別邏輯。增加邏輯功能意味著需要占用更多的芯片面積，考慮到CP0模塊處于整個(gè)CPU的邊緣，而且全定制物理設(shè)計(jì)可以大大縮減芯片面積，因此該方案具有可行性。

系統(tǒng)控制協(xié)處理器的全定制物理設(shè)計(jì)
    在深亞微米級(jí)的集成電路芯片里，器件(晶體管)本身對(duì)時(shí)延的貢獻(xiàn)已越來越小，主要延遲在于連線延遲。由于CP0功能的特殊性，它和存儲(chǔ)管理單元MMU、指令計(jì)數(shù)單元PC都有很多連線，這些連線很可能處于全芯片的關(guān)鍵路徑上；而且由于CP0邏輯比較復(fù)雜，按照標(biāo)準(zhǔn)單元法自動(dòng)布局布線生成的模塊自身面積就很大，某些連線在CP0內(nèi)部就要走很多彎路，可能造成很大的延時(shí)。所以決定采用全定制方法設(shè)計(jì)CP0的數(shù)據(jù)通路，以方便控制連線的走向和布局。

控制通路與數(shù)據(jù)通路的劃分
    數(shù)字電路系統(tǒng)的正常運(yùn)作過程中存在數(shù)據(jù)流(包括一般意義上的數(shù)據(jù)、指令和地址)和控制流。而數(shù)據(jù)流和控制流是相對(duì)獨(dú)立的：數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)的邏輯相對(duì)簡單，但有很多位數(shù)據(jù)并行；而控制流的邏輯較復(fù)雜，絕大多數(shù)是1位或幾位的控制信號(hào)。因此，控制通路一般不采用全定制設(shè)計(jì)；而數(shù)據(jù)通路的全定制設(shè)計(jì)就具有高性能、低功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)。

    協(xié)助TLB進(jìn)行虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換是CP0的主要功能之一。TLB屬于系統(tǒng)的特權(quán)資源，只有CP0有權(quán)對(duì)其進(jìn)行訪問，因此CP0與TLB之間的連線較多，數(shù)據(jù)交換的時(shí)延也比較關(guān)鍵。同時(shí)，PC模塊與CP0的數(shù)據(jù)交換也非常重要。因此，CP0單元在版圖上最好同時(shí)靠近TLB和PC模塊。本設(shè)計(jì)將CP0中與TLB相關(guān)的邏輯與寄存器獨(dú)立為CP0T，放在MMU與PC模塊之間；CP0的其余部分歸為CP0E，放在PC下部，也就是整塊芯片的最下端。如圖1所示。

電路設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中使用的電路輸入工具為Cadence公司的Composer。設(shè)計(jì)時(shí)，將HDL描述轉(zhuǎn)化為電路描述后輸入到Composer中。然后，通過形式驗(yàn)證來確保所設(shè)計(jì)的電路與RTL代碼一致。電路設(shè)計(jì)的好壞很大程度上要取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和技巧。

    電路的定制設(shè)計(jì)主要指的是，在Composer環(huán)境中手工設(shè)計(jì)晶體管級(jí)的電路。電路參數(shù)的確定由Synopsys的電路仿真工具Hspice協(xié)助完成。將從設(shè)計(jì)好的電路中抽出的網(wǎng)表輸入到Hspice中，仿真計(jì)算出電路的時(shí)延，再根據(jù)時(shí)延來修改電路MOS管的參數(shù)。

    為了減少全定制設(shè)計(jì)的工作量，電路設(shè)計(jì)要建立模塊的微體系結(jié)構(gòu)。其中CP0的基本單元確定如下：基本的CP0寄存器(時(shí)鐘上沿同步寄存器) ；32位比較器；32位加法器；多選一選擇器(包括2選1、3選1和4選1 MUX)；驅(qū)動(dòng)器(即反相器；其尺寸參數(shù)化以適應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)要求)。

    加法器基本采用了超前進(jìn)位加法器的思想，然后在整體上分成兩個(gè)16位加法器的模塊，模塊間采用進(jìn)位選擇加法器的思想，從而大大提高了整個(gè)電路的速度。但其面積比全部采用超前進(jìn)位加法器時(shí)要大20％左右。

    設(shè)計(jì)出來的電路邏輯是否正確，時(shí)延是否滿足要求，分別需要做功能驗(yàn)證和電路仿真。在驗(yàn)證了各個(gè)小模塊的正確性之后，需驗(yàn)證小模塊之間的邏輯連接正確性，最后對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步分析電路找出模塊中的最長路徑，通過仿真、更改電路、再仿真的過程，來確定該模塊是否能達(dá)到預(yù)期的邏輯設(shè)計(jì)要求。

版圖的全定制設(shè)計(jì)
    版圖設(shè)計(jì)是根據(jù)電路功能和性能的要求以及工藝條件的限制(如線寬、間距、制版設(shè)備所允許的基本圖形等)，設(shè)計(jì)集成電路制造過程中必需的光刻掩膜版圖。版圖設(shè)計(jì)與集成電路制造工藝技術(shù)緊密相連，是集成電路設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。

    在設(shè)計(jì)過程中，為了降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，采用混合設(shè)計(jì)模式，即全定制和標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。這樣既有利于保證電性能的要求，又能減小設(shè)計(jì)周期，是一種較為理想的設(shè)計(jì)模式。

    在全定制版圖中，設(shè)計(jì)過程分為兩步完成，每個(gè)大單元電路總是由各種基本電路組合而成，所以第一步是繪制基本電路的版圖，畫完后做DRC和LVS，保證基本電路的正確性。第二步用這些基本電路來組合成大的單元。

圖1. CP0單元與臨近單元的連
接示意圖

    全定制芯片設(shè)計(jì)可以根據(jù)數(shù)據(jù)通路電路的規(guī)則手工設(shè)計(jì)出合理的版圖。版圖設(shè)計(jì)中盡量保證各個(gè)部分的規(guī)整和對(duì)稱，使其易于擴(kuò)展。版圖的布局中使聯(lián)系較多的單元盡量靠近，從而縮短互連線的長度，減小每個(gè)單元的面積和時(shí)延，降低器件的負(fù)載電容，采取的具體措施如下：
1) 增加地與襯底、電源與阱的接觸，在沒有器件和走線的空白處多打接觸孔，并且將其與電源或地連接，有利于收集噪聲電流、穩(wěn)定電位、減小干擾和被干擾；
2) 形成網(wǎng)狀的電源地線網(wǎng)絡(luò)；
3) 避免同層或上下兩層中長金屬線的平行走線，對(duì)噪聲敏感的線盡量布得短；
4) 避免首尾循環(huán)的走線；
5) 在滿足設(shè)計(jì)規(guī)則的前提下，盡量減小MOS管的有源區(qū)面積，以減小寄生電容，提高工作速度；
6) 在數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)中，要為金屬連線留下一些備用位置。

控制通路與數(shù)據(jù)通路的集成設(shè)計(jì)及驗(yàn)證
邏輯層次
    控制部分直接用行為級(jí)的RTL代碼，數(shù)據(jù)通路部分由從全定制電路導(dǎo)出的結(jié)構(gòu)化RTL代碼，得到全模塊的邏輯描述。
可采用向量進(jìn)行驗(yàn)證，與采用RTL(或C模型)進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果(trace文件)進(jìn)行比對(duì)。

電路層次
    電路層次控制通路與數(shù)據(jù)通路的集成可以借助Composer順利完成。

    對(duì)于延時(shí)信息的獲取，數(shù)據(jù)通路或控制通路內(nèi)部的路徑分別采用Hspice仿真及綜合來獲得，分析內(nèi)部是否存在關(guān)鍵路徑。

    涉及數(shù)據(jù)通路與控制通路之間的關(guān)鍵路徑，可以由全定制部分提交數(shù)據(jù)通路部分接口的輸入/輸出時(shí)延信息，即該路徑在其內(nèi)部需要的時(shí)間。以這些信息作為外部約束，再對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行綜合(按模塊綜合)，結(jié)果文件中將得到集成后的關(guān)鍵路徑。

版圖層次
    要保證版圖與電路的一致性，需要做LVS驗(yàn)證。即將控制通路的門級(jí)網(wǎng)表導(dǎo)入Composer，與數(shù)據(jù)通路的全定制電路合成總電路，并由此提取電路級(jí)的Spice網(wǎng)表進(jìn)行LVS驗(yàn)證。LVS采用的工具為Mentor Graphics 的Calibre工具。

結(jié)語
    本文主要研究了基于MIPS 4Kc體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)控制協(xié)處理器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括精確異常處理的實(shí)現(xiàn)方式和全定制的物理設(shè)計(jì)。在對(duì)精確異常處理機(jī)制的過程中通過增加寫使能判別邏輯達(dá)到了縮減關(guān)鍵路徑時(shí)延的目的，降低了控制邏輯的復(fù)雜性，同時(shí)增加了全芯片的可靠性。本文的設(shè)計(jì)通過了邏輯、電路驗(yàn)證，應(yīng)用于32位CPU的設(shè)計(jì)中，并采用中芯國際的1P6M 0.18mm工藝成功流片。