RISC（精簡指令集處理器）處理器完成一個(gè)指令集包含的操作只需要一條指令，而要完成一個(gè)指令集不包含的操作則需要幾條甚至幾十條基本操作指令,，大大降低了處理效率^[1],。針對(duì)這一問題，本文提出一種在通用RISC微處理器中增加指令擴(kuò)展接口的方法,。用戶可以根據(jù)自己的需要,，在擴(kuò)展接口掛接自己設(shè)計(jì)的擴(kuò)展模塊，即可簡單,、靈活地進(jìn)行指令擴(kuò)展,。如何消除數(shù)據(jù)沖突是設(shè)計(jì)指令擴(kuò)展接口的關(guān)鍵技術(shù)。

        在編寫程序時(shí)通過人為調(diào)整指令順序可以消除數(shù)據(jù)沖突,，這種方法不需要更改硬件電路,，但是容易發(fā)生錯(cuò)誤，而且對(duì)于無法通過調(diào)整順序消除的沖突需要插入空指令,，降低了執(zhí)行效率,。另外一種簡單的方法就是設(shè)置流水線互鎖部件，如果檢測到兩條指令之間存在沖突,，則使流水線停頓,，直到?jīng)_突消除，這種方法同樣會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行效率的降低,。

        本文將處理器通用指令和擴(kuò)展指令按照運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生時(shí)刻分為兩種類型,，通過分析不同類型指令發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的情況，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定向通道來消除數(shù)據(jù)沖突,。通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定向通道可以保證程序執(zhí)行的正確性和執(zhí)行效率,。

1 指令擴(kuò)展接口結(jié)構(gòu)

        指令擴(kuò)展接口在RISC處理器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，本文選用的 RISC處理器以MIPS指令集為標(biāo)準(zhǔn),，采用哈佛結(jié)構(gòu)程序空間與數(shù)據(jù)空間相互獨(dú)立,，設(shè)立5級(jí)流水線^[2]。5級(jí)流水線包括：

        (1)指令獲取(Instruction Fetch,，IF),；

        (2)指令譯碼(Instruction Decode，ID),；

        (3)指令執(zhí)行(Instruction Execute,，EX)；

        (4)內(nèi)存讀寫(Memory Access,，MEM),；

        (5)寄存器回寫(Write Back，WB)。

        整個(gè)微處理器系統(tǒng)^[3]劃分為兩部分：一部分是數(shù)據(jù)單元,，另一部分是控制單元,。在每條指令執(zhí)行的過程中，控制單元控制數(shù)據(jù)通路正確無誤地執(zhí)行每條指令,，完成數(shù)據(jù)的各種運(yùn)算,，實(shí)現(xiàn)處理器的各項(xiàng)功能。

        設(shè)計(jì)完成的指令擴(kuò)展接口支持兩種類型的擴(kuò)展指令：一種為A型簡單指令,，該指令用于實(shí)現(xiàn)簡單的邏輯運(yùn)算,；另一種為B型復(fù)雜指令，該指令用于實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的操作,。用戶在進(jìn)行指令擴(kuò)展時(shí),，根據(jù)運(yùn)算的復(fù)雜度選擇相應(yīng)的指令類型，可以降低難度,，提高效率,。

        對(duì)于A型指令，由于只是實(shí)現(xiàn)簡單的邏輯運(yùn)算,，可以通過擴(kuò)展流水線執(zhí)行級(jí)的ALU（邏輯運(yùn)算單元）實(shí)現(xiàn),，是單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)組合邏輯電路。這種擴(kuò)展方法與Nios II的定制指令相似^[4-5],。

        對(duì)于B型指令,，外圍擴(kuò)展模塊要占用EX和MEM兩個(gè)流水級(jí)^[6]，這是因?yàn)椋?1)擴(kuò)展指令不能對(duì)處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行訪問,，所以處理器執(zhí)行擴(kuò)展指令時(shí)系統(tǒng)EX和MEM級(jí)處于空閑狀態(tài),；(2)如果用戶設(shè)計(jì)的邏輯運(yùn)算單元關(guān)鍵路徑太長，延時(shí)大于時(shí)鐘周期,，就需要在運(yùn)算單元中間插入一級(jí)寄存器,；(3)用戶可能需要自建存儲(chǔ)區(qū)域，需要兩個(gè)時(shí)鐘周期才能完成存取操作,?；谝陨?點(diǎn)原因，使擴(kuò)展模塊占用兩個(gè)流水級(jí)能夠給外部擴(kuò)展模塊預(yù)留足夠的設(shè)計(jì)空間,，更好地滿足設(shè)計(jì)需求,。B型指令擴(kuò)展結(jié)構(gòu)在處理器與外部擴(kuò)展模塊之間增加了一個(gè)接口單元。接口單元的作用是隔離系統(tǒng)的控制通路,，使擴(kuò)展接口只保留數(shù)據(jù)信號(hào)^[7],。

2 數(shù)據(jù)沖突分析

        數(shù)據(jù)沖突是指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。流水線沖突除了數(shù)據(jù)沖突還有結(jié)構(gòu)沖突和控制沖突,。由于加入指令擴(kuò)展接口以后,，只對(duì)處理器的數(shù)據(jù)沖突產(chǎn)生重大影響,，所以本文對(duì)如何消除結(jié)構(gòu)沖突和控制沖突就不再介紹，只介紹處理器的數(shù)據(jù)沖突以及如何將其消除,。

        為了能夠更加清楚地說明增加指令擴(kuò)展接口以后流水線數(shù)據(jù)沖突的情況，本文用數(shù)據(jù)路徑的快照形式反映流水線的執(zhí)行過程,。在時(shí)空?qǐng)D中數(shù)據(jù)路徑的快照示例如圖1所示,。

        在圖1中，將處理器的指令（包括通用指令和兩種類型擴(kuò)展指令）按照運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生時(shí)刻分為兩類：(1)在流水線第三級(jí)(執(zhí)行級(jí))產(chǎn)生結(jié)果,，這種指令包括處理器自身的數(shù)據(jù)操作指令和A型擴(kuò)展指令,，用圖1中（a）表示；(2)在流水線第四級(jí)（內(nèi)存讀寫級(jí)）產(chǎn)生結(jié)果,，這種指令包含處理器load指令和B型擴(kuò)展指令,，用圖1中（b）表示。在圖2所示的時(shí)空?qǐng)D中將采用上面兩種數(shù)據(jù)路徑快照表示相應(yīng)指令的執(zhí)行過程,。

        將指令分為(a),、(b)兩種類型以后，相鄰兩條指令存在數(shù)據(jù)沖突的情況就可以歸結(jié)為以下四種情況,。

        在圖2中,，箭頭代表數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)穆窂剑^起點(diǎn)為第一條指令數(shù)據(jù)最早產(chǎn)生的位置,，箭頭終點(diǎn)為第二條指令最遲需要數(shù)據(jù)的位置,。從圖2可以看出，(1),、(2)兩種情況下數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)刻比數(shù)據(jù)需要的時(shí)刻早,，對(duì)于這種情況采取措施將前一條指令的運(yùn)算結(jié)果通過專用通道提前送給當(dāng)前指令需要數(shù)據(jù)的位置，流水線可以順序執(zhí)行,。而對(duì)于（3）,、（4）兩種情況，前一條指令結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)刻比后一條指令需要數(shù)據(jù)的時(shí)刻晚,，所以無論采取什么措施,，都無法得到前一條指令的運(yùn)算結(jié)果，對(duì)于這種情況,，流水線必須暫停一個(gè)時(shí)鐘周期,，等前一條指令運(yùn)算完成以后數(shù)據(jù)通過定向通道送給第二條指令，流水線才能繼續(xù)執(zhí)行,。

        上面分析的是簡單數(shù)據(jù)沖突,，第二條指令只與前面一條指令發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。還有一種更復(fù)雜的情況是后面一條指令與前面兩條指令都發(fā)生數(shù)據(jù)沖突,。為了能夠更形象地體現(xiàn)這種情況,，將圖1中（a）型指令的數(shù)據(jù)路徑快照稍微修改，即為如圖3所示的復(fù)雜情況的數(shù)據(jù)沖突。

        在圖3中,，第三條指令中執(zhí)行級(jí)的源操作數(shù)a是第一條指令的目的操作數(shù),，源操作數(shù)b是第二條指令的目的操作數(shù)。此時(shí)源操作數(shù)a通過定向通道已經(jīng)準(zhǔn)備好了,，而源操作數(shù)b還沒有運(yùn)算完成,，所以執(zhí)行第三條指令時(shí)需插入一個(gè)氣泡。流水線停頓一個(gè)時(shí)鐘周期以后,，第二條指令的運(yùn)算結(jié)果可以通過定向通道送給第三條指令的執(zhí)行級(jí),。但是此時(shí)第一條指令的運(yùn)算結(jié)果已經(jīng)回寫到數(shù)據(jù)寄存器，通過定向通道送過來的數(shù)據(jù)已經(jīng)不是第三條指令所需的數(shù)據(jù),，這樣就導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果出錯(cuò),。

        對(duì)于這種情況，需要對(duì)第一條指令定向過來的數(shù)據(jù)寄存一級(jí),，流水線停頓一個(gè)時(shí)鐘周期以后源操作數(shù)a使用寄存以后的數(shù)據(jù),，源操作數(shù)b使用定向通道送來的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)定向通道設(shè)計(jì)

        數(shù)據(jù)定向通道就是將EX級(jí)和MEM級(jí)操作完成以后的數(shù)據(jù)和目的寄存器的地址直接送到EX級(jí)輸入端,?；厮湍康募拇嫫鞯刂酚糜跈z測數(shù)據(jù)沖突，沖突檢測部件的工作過程：(1)比較當(dāng)前指令源操作數(shù)寄存器的地址與回送的目的寄存器地址是否相同,；(2)檢測前面指令運(yùn)算結(jié)果是否有效,；(3)檢測當(dāng)前指令源地址是否有效；(4)條件全部滿足以后,，發(fā)出流水線沖突信號(hào),。

        控制單元檢測沖突類型，如果流水線不需要停頓,，則控制EX級(jí)內(nèi)部的數(shù)據(jù)選擇器選擇定向通道的數(shù)據(jù),；如果需要停頓，則控制流水線停頓,。

        對(duì)于B型擴(kuò)展指令,，如果在接口單元內(nèi)部再設(shè)計(jì)一套沖突檢測部件和數(shù)據(jù)定向通道，則會(huì)造成資源浪費(fèi),。在執(zhí)行B型擴(kuò)展指令時(shí),，處理器EX級(jí)和MEM級(jí)處于空閑狀態(tài)，因此可以利用EX級(jí)中的部分資源,。最后設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定向通道后處理器的局部數(shù)據(jù)路徑如圖4所示,。

        在圖4中只顯示與數(shù)據(jù)流動(dòng)有關(guān)的部件。圖中接口單元和EX級(jí)使用相同的數(shù)據(jù)定向通道^[8],，數(shù)據(jù)沖突檢測部件也使用同一個(gè),。接口單元在執(zhí)行B型擴(kuò)展指令且沒有發(fā)生數(shù)據(jù)沖突時(shí),，接口單元控制信號(hào)才有效，接口單元通過指令擴(kuò)展接口向外傳遞有效數(shù)據(jù),，而且只有在控制信號(hào)有效時(shí),，接口單元接收到的數(shù)據(jù)才送到回寫單元，否則將接收到的數(shù)據(jù)丟棄,。雖然控制單元不能直接控制外部擴(kuò)展模塊,，但是通過控制接口單元導(dǎo)通、關(guān)斷數(shù)據(jù)的方式,，可使外部擴(kuò)展模塊準(zhǔn)確地工作在流水線中。圖4中右上角“Reg”寄存器的作用是對(duì)MEM級(jí)定向的數(shù)據(jù)寄存一級(jí),，用于解決3條指令存在數(shù)據(jù)沖突的問題,。

4 功能測試 

        最后在RISC微處理器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成指令擴(kuò)展接口，預(yù)留的A型和B型擴(kuò)展指令各有200條,，對(duì)增加了指令擴(kuò)展接口的處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)沖突測試,。擴(kuò)展一條A型指令，指令格式：AR3 Rd,，Rt,；指令功能：將Rt寄存器的值按位取反，結(jié)果賦給Rd寄存器,。擴(kuò)展一條B型指令,，指令格式：BR1 Rd，Rs,，Rt,；指令功能：Rs寄存器的值和Rt寄存器的值按位同或，結(jié)果賦給Rd寄存器,。編寫一段針對(duì)性強(qiáng)的程序,，用于測試增加指令擴(kuò)展接口以后處理器處理數(shù)據(jù)沖突的能力。測試程序如圖5所示,，圖6為測試結(jié)果,。

        圖5中的4條測試程序包含了可能的數(shù)據(jù)沖突的情況。圖6為使用EDA(Electronic Design Automation)軟件仿真得到的波形圖,。從圖中可以看出,，除了第三條指令，其他指令數(shù)據(jù)沖突都通過數(shù)據(jù)定向解決,，流水線沒有停頓,；第三條指令和前兩條指令產(chǎn)生沖突，流水線停頓一個(gè)時(shí)鐘周期以后得到正確的運(yùn)算結(jié)果,。

        如果使用指令調(diào)度解決數(shù)據(jù)沖突,，同樣是執(zhí)行圖5中的程序,，則需要編譯軟件或者人為地在存在數(shù)據(jù)沖突的指令之間插入空指令，最后處理器實(shí)際執(zhí)行的指令如下：

        AR3 R4,，R1,；

        NOP；NOP,；NOP,；

        BR1 R5，R2,，R4,；

        NOP；NOP,；NOP,；

        ADDU R6，R5,，R4,；

        NOP；NOP,；NOP,；

        OR R7，R6,，R1,；

        使用流水線停頓解決數(shù)據(jù)沖突，處理器最后執(zhí)行效果與上面結(jié)果相同,，只是使用指令調(diào)度處理器通過執(zhí)行空指令等待前面程序運(yùn)行完成,，而流水線停頓是通過內(nèi)部設(shè)置的流水線互鎖部件使流水線停頓等待前面程序運(yùn)行完成。上面兩種方法使用軟件仿真得到測試結(jié)果如圖7所示,。

        從圖6,、圖7中可以看出，執(zhí)行相同的程序,，圖6使用的時(shí)鐘數(shù)明顯比圖7中使用的時(shí)鐘數(shù)多,。為了能夠更直觀地對(duì)比處理器的執(zhí)行效率，引入每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI(Cycles Per Instruction),。通過簡單計(jì)算可知,，執(zhí)行上面的測試程序時(shí)本文方法的CPI=5/4=1.25，而使用軟件調(diào)度或者流水線停頓方法的CPI=13/4=3.25,?？梢姡褂脭?shù)據(jù)定向通道可以提高處理器的執(zhí)行效率,。

        在進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)時(shí),，使用具有指令擴(kuò)展接口的處理器,，只需要設(shè)計(jì)擴(kuò)展模塊就可以完成指令擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作,，而且不會(huì)對(duì)處理器自身產(chǎn)生任何影響,，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，增加了系統(tǒng)的運(yùn)算能力,。如果本文的設(shè)計(jì)方法能夠廣泛應(yīng)用到微處理器的設(shè)計(jì)中,，則具有指令擴(kuò)展接口的RISC 微處理器將會(huì)極大地促進(jìn)SoC設(shè)計(jì)的進(jìn)步。

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