在32位CPU中Load Aligner模塊數(shù)據(jù)通道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　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(chǔ)器而花的時(shí)間或延遲，MIPS4KC處理器采用了Load/Store設(shè)計(jì)。在CPU芯片上有許多寄存器，所有的操作都由存儲(chǔ)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(duì)主存儲(chǔ)器容量的要求，而且可以精簡(jiǎn)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(chǔ)器(DCACHE)和數(shù)據(jù)通道之間的接口。所以設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的Load Aligner對(duì)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Load Aligner模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其中主要是數(shù)據(jù)通道部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　本設(shè)計(jì)中，Load Aligner模塊要實(shí)現(xiàn)的指令有LB、LBU、LH、LHU、LW、LWL、LWR。CPU通過這些指令把從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中取出來的數(shù)據(jù)重新排序，然后放進(jìn)寄存器堆RF中，進(jìn)入CPU的數(shù)據(jù)通道。表1是對(duì)這些指令的介紹。

　　如果把從DCACHE中取出的一個(gè)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(gè)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(hào)擴(kuò)展，*表示這個(gè)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(jìn)寄存器。

　　以上是Load Aligner模塊要實(shí)現(xiàn)的指令目標(biāo)，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(zhǎng)時(shí)延不能超過0.7ns。

　　邏輯設(shè)計(jì)

　　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(gè)8位的控制信號(hào)Bit<7:0>來控制四個(gè)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(gè)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(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展。因此需要有能夠產(chǎn)生符號(hào)擴(kuò)展或者0擴(kuò)展的模塊稱為符號(hào)產(chǎn)生模塊，然后把它的輸出和一個(gè)4位的控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)流程圖見圖1。

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

　　功能驗(yàn)證

　　對(duì)此模塊的RTL代碼和所設(shè)計(jì)的電路分別進(jìn)行了功能驗(yàn)證。設(shè)從DCACHE取出的32位數(shù)據(jù)用十六進(jìn)制表示為AABBCCDD，對(duì)表3中的所有指令進(jìn)行測(cè)試。圖3所示的波形圖就是依次測(cè)試指令LW、LH00、LHU00、LH10、LHU10、LB00、LBU00、LB01、LBU01、LB10等的結(jié)果?？梢钥闯?，結(jié)果與表3完全吻合。說明所設(shè)計(jì)的電路滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以實(shí)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(hào)選擇信號(hào)Sandz<4:0>到輸出的路徑為最長(zhǎng)路徑，我們選取這條路徑進(jìn)行仿真，并考慮在0.18μm時(shí)線電阻電容對(duì)時(shí)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(shí)時(shí)延為0.52ns，下降時(shí)時(shí)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(jìn)入CPU的數(shù)據(jù)通道。在設(shè)計(jì)中應(yīng)用了自上而下的設(shè)計(jì)方法，所設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)了所有的指令，在時(shí)延上也達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。