適用于RISC CPU的轉移指令的原理及仿真研究

本文介紹的RISC CPU對轉移指令的處理方法，為5級流水線(xiàn)作業(yè)，分別是取指、譯碼、執行、訪(fǎng)存、回寫(xiě)，對轉移指令的處理在取指級和譯碼級完成；譯碼級給出轉移指令所包含的詳細信息，取指級包含有地址計算單元，轉移目標Cache (BTC)，跳轉判斷單元等。對轉移指令的處理使用了延時(shí)跳轉、2BC以及BTC方法。

1 轉移指令的原理

該RISC CPU的指令集中包含有條件轉移指令和非條件轉移指令。所有的轉移指令均使用延時(shí)轉移，每條轉移指令后面跟隨一條延時(shí)槽指令;采用2BC預測條件轉移是否跳轉，而B(niǎo)TC則保存轉移目標為固定地址的轉移指令執行后的信息。以下分別介紹在該RISC CPU設計中轉移指令的設計以及延時(shí)轉移、BTC、2BC的具體實(shí)現方法。

2 轉移指令類(lèi)型及格式

該RISC CPU的指令集中包含條件轉移指令(BCC)和非條件轉移指令(CALL和RET)，其編碼格式為圖1所示。CALL指令包含2位的操作碼和30位的絕對地址。BCC指令包含8位操作碼， 4位條件碼(Condition Code)，19位偏移量以及1位用來(lái)區分指令是否帶A參數(即ANNUL操作)。所有的BCC指令使用相同的操作碼，不同的BCC指令用條件碼來(lái)區分，共有16類(lèi)BCC指令；偏移量為帶符號數，在低位用00擴展后可以對±220的相對地址尋址。RET指令包含8位的操作碼和兩個(gè)5位的寄存器地址。

3 2BC的作用及工作原理

因為轉移指令執行一次之后，轉移目標地址、延時(shí)槽指令都保存在BTC中了，當該指令再次執行時(shí)，這些信息就直接從Cache讀出，因此在取指級就可以得到跳轉目標地址和延時(shí)槽指令。對于非條件轉移指令，跳轉總是執行，因此BTC命中時(shí)就可以直接決定下一條指令的地址為轉移目標地址，而當前周期DI被送到指令總線(xiàn)上；但對于條件轉移指令，跳轉與否是根據條件碼和ALU的標志位來(lái)決定的。如果轉移指令前面一條指令的執行結果改變標志位，而當BTC命中時(shí)該指令還在譯碼級，則跳轉與否需要等待一個(gè)時(shí)鐘周期才能決定。為了避免因為等待而造成流水線(xiàn)的停頓，采用2BC當前的狀態(tài)預測跳轉是否執行，在接下來(lái)的時(shí)鐘周期，標志位有效之后，再檢查預測是否正確，如果不正確，就進(jìn)行更正。當預測準確時(shí)，采用2BC 與BTC可以使轉移指令的執行時(shí)間縮短一個(gè)周期。即使預測不準確，與不采用預測相比也不會(huì )有損失。2BC的工作原理如圖2所示，初始值為Nx(第一次不跳轉執行)或Tx(第一次跳轉執行)，t表示跳轉執行，n表示跳轉不執行。當HI為N或Nx時(shí)，預測跳轉不發(fā)生；當HI為T(mén)或Tx時(shí)，預測跳轉發(fā)生。

4 BTC命中

在取指周期開(kāi)始時(shí)如果發(fā)現當前取指地址包含在BTC的TAG中，并且對應行的VI也有效，則認為BTC命中，從而啟動(dòng)命中任務(wù)：讀出命中行的數據，把DI送到指令總線(xiàn)，如果是CALL指令，轉移目標地址作為下一條指令的地址；如果是BCC指令則需要判斷跳轉是否發(fā)生：當標志位有效時(shí)，根據條件碼與標志位判斷，否則根據HI進(jìn)行預測，然后確定下一條指令的地址：跳轉時(shí)為轉移目標地址，不跳轉為PC+2。對于帶A參數的BCC指令，在跳轉不執行時(shí)，要禁止DI在下一時(shí)鐘進(jìn)入譯碼級。BTC命中的流程如圖3。

5 BTC檢查

如果前一周期BTC命中，則在當前周期開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)BTC檢查任務(wù)；如果前一周期BTC是根據HI預測BCC的跳轉，那么在當前時(shí)鐘標志位有效后，要重新判斷跳轉決定是否正確，如果不正確就要進(jìn)行更正，給出正確的取指地址，請求在下一時(shí)鐘禁止譯碼級或執行級。同時(shí)還要根據最終的跳轉情況和HI的更新算法更新HI。BTC檢查的流程圖如圖4。

6 結論

整個(gè)RISC CPU用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行了描述，并針對標準程序進(jìn)行了仿真，仿真結果表明，采用上述方法處理轉移指令可以明顯提高流水線(xiàn)的吞吐率。由于在轉移指令后面插入了延時(shí)槽指令，轉移指令的執行與程序順序執行時(shí)完全相同；BTC的使用雖然在硬件上增加了一些開(kāi)銷(xiāo)，但使轉移指令再次執行時(shí)基本不占用流水線(xiàn)資源，大大提高了CPU的效率。