64位MIPS指令處理器的流水線設(shè)計(jì)

1 引言 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)（soc）已經(jīng)在pda、機(jī)頂盒、手機(jī)等信息終端中被廣泛應(yīng)用。他不僅減小了電路尺寸，而且具有成本低廉，可靠性高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。可以說嵌入式系統(tǒng)是未來集成電路發(fā)展的方向。而作為嵌入式系統(tǒng)核心的微處理器，是soc不可或缺的“心臟”，微處理器的性能直接影響整個soc的性能。 為了提高cpu的效率和指令執(zhí)行的并行性，現(xiàn)代微處理器已經(jīng)廣泛采用流水線設(shè)計(jì)，對于一些較高性能的cpu更是采用了多發(fā)射的超流水技術(shù)等，所以，cpu流水線的設(shè)計(jì)，將成為決定其性能的關(guān)鍵。? 2 處理器體系結(jié)構(gòu) 我們所設(shè)計(jì)的處理器是基于mips指令集的64位risc結(jié)構(gòu)，執(zhí)行32位定長的mips指令，具有五級流水線。中央處理單元有32個通用寄存器和3個特殊功能寄存器：pc，hi，lo。其中pc是程序計(jì)數(shù)器，hi和lo用于64位乘除法運(yùn)算。系統(tǒng)協(xié)處理器cp0的32個cp0寄存器和tlb提供內(nèi)存管理和流水線中的異常處理功能。此外，處理器還提供了16k的指令cache和8k數(shù)據(jù)cach e。 圖1所示為處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖中清楚地表明了各個模塊間的控制關(guān)系（實(shí)線表示）和在流水線控制下的數(shù)據(jù)流向（空心線表示），流水線每一級之間由級間寄存器暫存對應(yīng)指令的控制信號和數(shù)據(jù)。 3 流水線結(jié)構(gòu) 根據(jù)圖1可以看出，將指令執(zhí)行通道分成了5個單元，通道中流水線的每個單元之間使用級間寄存器來存放相應(yīng)的控制信號和數(shù)據(jù)。對應(yīng)的流水線結(jié)構(gòu)分別為：取指（ifet ch）、譯碼(dec)、執(zhí)行（exec）、存儲器操作（mem）和寫回寄存器(wb)。如圖2所示，指令在流水線上順序執(zhí)行，但是同周期有五條指令相交迭。所以采用流水線結(jié)構(gòu)大大提高了指令的并行性，cpi近似等于1。 4 流水線控制的設(shè)計(jì) 由于采用了五級流水線設(shè)計(jì)，需要一個核心的流水線控制模塊對這個流水線上的各個單元進(jìn)行控制，以確保流水線正確高效地運(yùn)行。值得注意的是，指令在流水線上的處理并不是簡單地如圖2所示的一個流暢序列，而是會出現(xiàn)很多因素破壞指令流水的平衡性，這些因素有： (1)由于流水線上的2個執(zhí)行單元同時使用同一硬件資源而產(chǎn)生冒險。 (2)部分指令在1個周期不能完成相應(yīng)流水階段的操作，如乘法指令在exec級在alu運(yùn)算需要多個周期。 (3)指令運(yùn)算的結(jié)果在exec級得到，wb級才寫回寄存器堆，而后續(xù)指令在結(jié)果寫回前需要使用結(jié)果。 (4)branch指令、跳轉(zhuǎn)指令和eret等指令導(dǎo)致流水線上程序流的改變。 (5)在流水線的執(zhí)行過程中隨時都可能有異常發(fā)生。 流水線控制就是解決以上問題，控制流水通道中的指令執(zhí)行過程，在各種情況下能夠保證程序的指令流有序、無誤地執(zhí)行。他主要包括以下各個單元，圖3給出了流水線控制部分的總體結(jié)構(gòu)。 4.1 異常處理單元 異常是指令運(yùn)行過程中發(fā)生的不可預(yù)測的中斷，需要預(yù)先定義的異常處理程序來解決。他可能發(fā)生在流水線的mem，exec和dec級，mem級的異常優(yōu)先級最高，后面依次為exec級和d ec級。異常發(fā)生后，流水線中導(dǎo)致異常的指令以及后續(xù)指令都要被中止，異常處理程序調(diào)入流水線中執(zhí)行。 異常處理單元收集各個異常信號并對其進(jìn)行單周期監(jiān)測，確保異常的及時響應(yīng)，若多個異常同時發(fā)生需要判斷異常的優(yōu)先級，并處理處于最高優(yōu)先級的異常。此時異常處理單元通過互鎖單元使流水線暫停2個周期，將異常信息存入cp0寄存器，保存epc，并由流水線沖刷單元終止流水線上的無效指令。流水線調(diào)入異常處理向量，重新開始執(zhí)行指令。如圖4所示為異常處理的流程，硬件處理部分由異常處理單元控制完成，軟件部分為異常服務(wù)程序的執(zhí)行過程。 4.2 互鎖處理模塊 互鎖的發(fā)生主要有以下幾種情況，一是由于流水線中的2個處理模塊同時使用同一資源產(chǎn)生冒險，此時等待資源的流水級以及前面的流水級都要等待；二是由于在某一流水級的操作需要多個時鐘周期，整個流水線上的各個流水級等待多周期操作的完成。當(dāng)互鎖發(fā)生后，互鎖處理模塊暫停流水線直到互鎖解決。如果從不同流水級同時發(fā)出暫停流水線的請求，也要判斷暫停流水線請求的優(yōu)先級。 互鎖單元收集互鎖信號，并響應(yīng)最高優(yōu)先級的互鎖信號。在判斷互鎖類型后，向相應(yīng)的執(zhí)行單元發(fā)出stall（流水線停止）信號，該信號必須為整數(shù)個時鐘周期。 4.3 優(yōu)先級判別模塊 對于特定的異常或互鎖，都對應(yīng)于流水線的某一級。在流水線指令交迭執(zhí)行的過程中異常和互鎖也會同時發(fā)生。優(yōu)先級判別模塊根據(jù)異常處理單元和互鎖處理單元送來的異常與互鎖的請求信號來判斷是由異常處理模塊來終止流水線上執(zhí)行的指令還是由互鎖單元將流水線暫停。<