王麗霞，孫長秋

（1.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島，266404；2.青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島，266555）

32位RlSC嵌入式微處理器流水線設(shè)計(jì)

王麗霞1，孫長秋2

（1.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島，266404；2.青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島，266555）

介紹了一32位RISC嵌入式微處理器（取名為 MoonCore）的5級(jí)流水線的結(jié)構(gòu)，即取指&譯碼（IF&ID）、讀寄存器堆（RF）、執(zhí)行（EXEC）、訪存（DMEM）和寫回（WB），詳細(xì)介紹了各個(gè)流水級(jí)的主要部件的設(shè)計(jì)并分析了流水線相關(guān)問題及解決辦法。

微處理器；精簡指令集計(jì)算機(jī)；流水線

0　引言

由于嵌入式微處理器大多應(yīng)用于便攜式設(shè)備和通訊設(shè)備等用電池供電的設(shè)備中，因此要提高微處理器的速度和降低功耗設(shè)計(jì)對(duì)于嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)尤為重要，而采用流水線技術(shù)是解決上面兩個(gè)問題的很重要的方法。MoonCore是一32位RISC的嵌入式微處理器，本著節(jié)省資源，控制簡單的原則，采用5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，即取指&譯碼（IF&ID）、讀寄存器堆（RF）、執(zhí)行（EXEC），訪存（DMEM），寫回（WB）。數(shù)據(jù)通路就嵌入到這5級(jí)流水線之中。

1　MoonCore體系結(jié)構(gòu)

MoonCore指令集共有49條指令，全部來自于MIPS I指令集，所有指令均為32位的定長指令，指令地址按字對(duì)齊。存貯器訪問指令Load和Store指令都為立即數(shù)類型指令，用于在存儲(chǔ)器和通用寄存器之間傳遞數(shù)據(jù)；計(jì)算類指令用于完成算術(shù)、邏輯、移位運(yùn)算；跳轉(zhuǎn)/轉(zhuǎn)移控制指令用于改變程序的順序執(zhí)行次序；專用指令：用于執(zhí)行一些特殊任務(wù)。

2　MoonCore流水線設(shè)計(jì)

圖1　基本的地址形成邏輯圖

MoonCore的5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)分別為取指&譯碼（IF&ID）、讀寄存器堆（RF）、執(zhí)行（EXEC），訪存（DMEM），寫回（WB）。

2.1IF&ID級(jí)設(shè)計(jì)

在這一級(jí)，程序計(jì)數(shù)器PC獲得指令地址，從指令存儲(chǔ)器取出指令，解碼并產(chǎn)生各種控制信號(hào)。這一級(jí)主要部件有指令存儲(chǔ)器，PC寄存器和解碼器等。

PC寄存器的位寬為32位，因?yàn)槊織l指令的長度是4個(gè)字節(jié)。需要注意的是，PC寄存器和普通的寄存器不同，不能直接對(duì)其進(jìn)行讀寫操作，在本設(shè)計(jì)中，各種控制信號(hào)均由有限狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生。

2.2RF級(jí)設(shè)計(jì)

RF級(jí)是MoonCore設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的一級(jí)。在這部分主要完成下面的幾個(gè)操作：

（1）計(jì)算產(chǎn)生下一條指令的地址。

（2）取寄存器堆的操作數(shù)。

（3）對(duì)指令中的立即數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。

（4）產(chǎn)生目標(biāo)寄存器地址。

RF級(jí)的主要部件有指令地址形成器PC_GEN，數(shù)據(jù)擴(kuò)展器EXT，數(shù)據(jù)比較器CMP和目標(biāo)寄存器地址形成器等。

2.2.1指令地址形成器PC_GEN的設(shè)計(jì)

在MoonCore結(jié)構(gòu)中默認(rèn)的下一條地址是PC+4，而轉(zhuǎn)移指令將改變程序的順序執(zhí)行，因此必須在離IF近的流水級(jí)實(shí)現(xiàn)，因此將其放在RF級(jí)。因?yàn)榫幾g器支持延遲轉(zhuǎn)移，這要求必須是地址形成邏輯模塊的輸出接PC的輸入，而PC寄存器的輸出又直接接在地址生成器模塊上。基本邏輯如圖1所示。

2.2.2數(shù)據(jù)擴(kuò)展器EXT的設(shè)計(jì)

MoonCore指令集的基本指令格式有三種：R-type、I-type和J-type。其中I、J類型都是在字的后16位帶有立即數(shù)，其中J類型中的指令J（AL）后26位是立即數(shù)，以及R指令類型的移位指令SRLV、SLLV后5位是立即數(shù)。這些立即數(shù)要根據(jù)實(shí)際的指令擴(kuò)展為32位的字。

2.2.3數(shù)據(jù)比較器CMP的設(shè)計(jì)

條件轉(zhuǎn)移指令如BEQ，BLEZ等指令要根據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的比較，比較的結(jié)果給地址產(chǎn)生器PC_GEN以用來產(chǎn)生新的指令地址。因此需要有一個(gè)數(shù)據(jù)比較器CMP。CMP有兩個(gè)32位數(shù)據(jù)輸入，分別是RS_IN 和RT_IN和一條由解碼器產(chǎn)生的經(jīng)過指令流水線傳輸?shù)目刂菩盘?hào)CMP_CTL，輸出端輸出1位信號(hào)，指示轉(zhuǎn)跳條件是否成立。

通常，比較器是放在和ALU同一級(jí)的流水段中，在本設(shè)計(jì)中如果也采用這種方式就會(huì)造成轉(zhuǎn)移指令延遲多個(gè)時(shí)鐘周期的浪費(fèi)。結(jié)合存儲(chǔ)部件的特征，加在RF段。

2.2.4目標(biāo)寄存器地址形成器的設(shè)計(jì)

在R-type指令中，運(yùn)算結(jié)果最終寫回到RD（指令中的20-16位為目標(biāo)寄存器索引）寄存器，而在I-type指令中運(yùn)算結(jié)果寫回到RT中（指令中的25-21位為目標(biāo)寄存器索引），比較特別的是在JAL指令中把PC的數(shù)值通過ALU傳遞給R31號(hào)寄存器。因此這個(gè)選擇器的輸入需要RNS和RNT，以及一個(gè)控制信號(hào)。目的寄存器地址選擇器的結(jié)構(gòu)如如圖2所示。

圖2　目的寄存器地址選擇器

由于0號(hào)寄存器件總是輸出為常數(shù)0，因此可以將0號(hào)寄存器改為默認(rèn)的寄存器地址。目的寄存器地址選擇器件的模塊實(shí)現(xiàn)代碼如下：

2.3EXEC級(jí)設(shè)計(jì)

EXEC執(zhí)行級(jí)主要完成以下的任務(wù)：

（1）使用ALU完成各種算術(shù)邏輯運(yùn)算。

（2）把運(yùn)算結(jié)果保存到寄存器中，供DMEM執(zhí)行階段使用。

主要部件有ALU和兩個(gè)多路選擇器。算術(shù)邏輯運(yùn)算器ALU是微處理器的核心部件，所有的算術(shù)運(yùn)算，如有符號(hào)數(shù)，無符號(hào)數(shù)的加減乘除，邏輯運(yùn)算的與或以及移位運(yùn)算都在這里完成。本設(shè)計(jì)中ALU分為三個(gè)并行的部分：

（1）基本算術(shù)邏輯運(yùn)算部分；

（2）算術(shù)邏輯移位部分；

（3）乘除法部分。

這三部分的連接如圖3所示。

圖3　ALU的三部分

圖4　存儲(chǔ)控制器與存儲(chǔ)器件連接

2.4DMEM級(jí)設(shè)計(jì)

DMEM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器訪問級(jí)專為Load/Store指令而設(shè)，要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)來自寄存器堆，訪問存儲(chǔ)器的地址由ALU計(jì)算得出。Load指令讀存儲(chǔ)器，并把讀出的數(shù)據(jù)寫入流水線寄存器。Store指令把來自寄存器堆的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。DMEM級(jí)主要完成的任務(wù)有：

（1）給出各種存取存儲(chǔ)器的控制信號(hào)，并完成存儲(chǔ)器的存取任務(wù)。

（2）把從存儲(chǔ)器中讀入的數(shù)據(jù)保存到寄存器中，供WB寫回階段使用。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制器包含三部分：數(shù)據(jù)輸入控制和地址輸入控制以及數(shù)據(jù)輸出控制。

存儲(chǔ)控制器與存儲(chǔ)器件連接如圖4所示。

由圖可以清晰地看出數(shù)據(jù)和控制的前后邏輯，藍(lán)色部分表示有寄存器的延遲，指令控制信號(hào)和地址信號(hào)要延遲一個(gè)周期后加在輸出控制上，設(shè)計(jì)中通過加入一級(jí)D鎖存器實(shí)現(xiàn)。

2.5WB級(jí)設(shè)計(jì)

在WB寫回級(jí)主要完成的任務(wù)：

（1）指令執(zhí)行結(jié)果寫回到寄存器堆中。

（2）將乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算的執(zhí)行結(jié)果寫入到寄存器HI和寄存器LO中。

這一級(jí)的主要部件就是一個(gè)寫回的多路選擇器，WB級(jí)把指令執(zhí)行的結(jié)果寫回到寄存器堆。

3　流水線相關(guān)問題及解決辦法

相關(guān)是指指令流中的一條指令在指定的時(shí)鐘周期內(nèi)停止執(zhí)行。相關(guān)的發(fā)生將會(huì)引起流水線的斷流或延遲，降低微處理器的性能。存在下面三種相關(guān)：結(jié)構(gòu)相關(guān)（Structural Hazards）、控制相關(guān)（Control Hazards）和數(shù)據(jù)相關(guān)（Data Hazards）。

采用指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分離的結(jié)構(gòu)，避免了結(jié)構(gòu)相關(guān)的產(chǎn)生；采用數(shù)據(jù)旁路的技術(shù)解決了數(shù)據(jù)相關(guān)；采用延遲槽技術(shù)，由編譯器負(fù)責(zé)向延遲槽填入指令，解決了控制相關(guān)。

4　小結(jié)

嵌入式微處理器多采用流水線技術(shù)。 MoonCore微處理器采用5級(jí)流水線的結(jié)構(gòu)，取指&譯碼（IF&ID）、讀寄存器堆（RF）、執(zhí)行（EXEC）、訪存（DMEM）和寫回（WB），提高微處理器的速度和降低功耗。

［1］ Dominic Sweetman.See MIPS Run（Second Edition）. San Francisco，ca，USA：Morgan Kaufmann Publishers Inc.，2006

［2］M I P S 3 2 A r c h i t e c t u r e f o r P r o g r a m m e r s VolumeⅠ：Introduction to the MIPS32 Architecture

［3］易建勛.微處理器（CPU）的結(jié)構(gòu)與性能.北京：清華大學(xué)出版社，2003

［4］ 張奕.32位5級(jí)流水線嵌入式處理器設(shè)計(jì)：［碩士學(xué)位論文］.成都：電子科技大學(xué)， 2007

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［6］朱子玉，利亞民.CPU芯片邏輯設(shè)計(jì)技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2005

Pipeline Design of 32-bit RISC Embedded Microprocessor

Wang Lixia1，Sun Changqiu2
（1.Qingdao Harbour Vocational&Technical College，Shandong Qingdao，266404；2.Qingdao Technical College，Shandong Qingdao，266555）

The Project introduced five-stage pipeline design of a 32 bit RISC mMicroProcessor （named MoonCore） which includes IF&ID（Instruction Fetch &Instructions Decode）、RF（Register Fetch）、EXEC（Execute），DMEM（Data MEMory access）and WB（Write Back） and introduced the design of main modules of microprocessor in detail， analyzed three kinds of hazards of pipeline and solutions.

Microprocessor；RISC；Pipeline